авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 |

Распределенная система оптимального управления процессом выщелачивания в производстве глинозема (на примере бокситогорского глиноземного завода)

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

ГАЛКИН Сергей Аркадьевич

распределенная система оптимального управления процессом выщелачивания в производстве глинозема

(на примере Бокситогорского глиноземного завода)

Специальность 05.13.06 Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (металлургия)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

2010

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Санкт-Петербургском государственном горном институте имени Г.В. Плеханова (техническом университете)

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

Юрий Васильевич Шариков

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

Педро Анатолий Александрович

кандидат технических наук

Жмарин Евгений Евгеньевич

Ведущая организация: НПФ «Миксинг»


Защита диссертации состоится 28 сентября 2010 г.,
в 14 ч 30 мин на заседании диссертационного совета Д 212.224.03 в Санкт-Петербургском государственном горном институте имени Г.В. Плеханова (техническом университете) по адресу: 199106, Санкт-Петербург, 21-я линия, дом 2, ауд. 2203.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного горного института имени Г.В. Плеханова (технического университета).

Автореферат разослан 27 августа 2010 года.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ

диссертационного совета

д.т.н. В.Н. БРИЧКИН

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Современные Российские предприятия по производству глинозема перерабатывают низкокачественные алюминиевые руды, которые добывается на ее территории. Для извлечения глинозема применяются щелочные методы, требующие строгого соблюдения технологических параметров, поэтому для получения высоких технико-экономических показателей производства необходима соответствующая система управления каждым из этапов переработки.

Определяющий вклад в развитие и совершенствование алгоритмов управления объектами алюминиевой промышленности внесли специализированные научно-исследовательские и проектные организации, среди них «ВАМИ», «СибВАМИ», «Цветметавтоматика», «Союзцветметавтоматика» и др. Хорошо известны работы и достижения в этой области таких крупных специалистов как В. Я. Абрамов, М.В. Левин, Н.И. Еремин, Х.А. Бадальянц и ряд других ученых, получивших государственную премию за внедрение системы управления переделами производства глинозема на Пикалевском глиноземном заводе (г. Пикалево).





Одно из ключевых мест в производстве занимает процесс выщелачивания, осуществляемый в аппаратах различного типа. Перспективным является вертикальный выщелачиватель В.Я. Абрамова, характеризующийся высокой эффективностью. Подобные аппараты для выщелачивания спековой пыли, либо мелкодробленого спека характеризуются недостаточным объемом измеряемых параметров. Это связано со сложностью гидродинамики потоков и распределением частиц по объему аппарата, также большую неопределенность вносит пульсирующий режим работы. Указанные факторы негативно влияют на стабильность концентраций компонентов алюминатного раствора.

В настоящее время автоматизированные системы управления процессом выщелачивания в вертикальных аппаратах зависимы от действий оператора, характеризующихся большим временем запаздывания между получением измеренных параметров процесса и корректировкой управляющих воздействий. Поэтому возникает необходимость совершенствования существующих алгоритмов управления, или создания новых, что будет способствовать росту эффективности управления и снижению роли оператора при ведении процесса выщелачивания.

Работа выполнена в соответствии с госбюджетной тематикой НИР СПГГИ (ТУ) по теме 6.30.020. «Разработка систем управления сложными техническими объектами с использованием математических моделей в контуре управления» (I кв. 2008 – IV кв. 2010 гг.).

Цель диссертационной работы. Повышение качества управления процессом выщелачивания спека в вертикальных выщелачивателях глиноземного производства при переработке низкокачественного алюминиевого сырья природного и техногенного происхождения.

Задачи исследований:

  • установить функциональную зависимость между измеряемыми и неизмеряемыми переменными процесса, которые могут быть использованы при синтезе системы автоматизированного регулирования;
  • разработать динамическую математическую модель вертикального выщелачивателя с использованием современных пакетов моделирования, проверить адекватность разработанной модели по используемым параметрам;
  • создать усовершенствованные алгоритмы управления вертикальным выщелачивателем, базирующиеся на предсказывающей математической модели;
  • создать систему автоматизированного управления, повышающую эффективность выщелачивания в вертикальном аппарате;
  • адаптировать полученные алгоритмы применительно к существующей системе автоматизированного управления на Бокситогорском глиноземном заводе.

Научная новизна работы.

Экспериментально установлена зависимость удельной электропроводности алюминатного раствора на сливе из аппарата от времени подачи реагентов и длительности процесса выщелачивания.

Показано, что математическая модель объекта, учитывающая структуру потока и кинетику химических реакций при выщелачивании в вертикальном аппарате, позволяет предвидеть поведение объекта и, следовательно, сделать его доступным для управления.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Для прогнозирования показателей работы вертикальных аппаратов применяемых при выщелачивании спеков следует использовать математическую модель процесса, основанную на учете структуры потока в вертикальном выщелачивателе и кинетики химических реакций, что позволяет рассчитать распределение концентраций по зонам реактора с учетом движения раствора.

2. Для повышения качества управления процессом выщелачивания в вертикальном аппарате, заключающемся в уменьшении величины перерегулирования по значениям концентраций компонентов алюминатного раствора на сливе из выщелачивателя сравнительно с ПИД-регулированием, при построении распределенной системы автоматизированного управления следует использовать алгоритмы, использующие прогнозирующую математическую модель процесса выщелачивания в контуре регулирования.

Практическое значение работы.

1. Получена математическая модель процесса выщелачивания в вертикальном аппарате, позволяющая рассчитать концентрации основных компонентов алюминатного раствора, учитывая гидродинамику потоков в выщелачивателе и кинетику химических реакций. Математическая модель пригодна для использования в системе управления процессом выщелачивания спековой пыли и для включения ее в контур регулирования в качестве предсказывающей модели.

2. Разработана структура многоуровневой системы автоматизированного управления процессом выщелачивания спеков в вертикальном аппарате, использующая полученную математическую модель в качестве программного блока, который предсказывает поведение системы, что позволяет осуществлять адаптивное управление. Полученная структура является гибкой и типовой для подобного класса объектов, что предоставляет возможность использовать систему управления на аналогичных переделах выщелачивания, например, при комплексной переработке нефелинового сырья.

Методика исследований. Работа выполнена с использованием классических и специальных методов теории автоматического управления и статистического анализа. Математическое моделирование и проверка адекватности полученных моделей осуществлялись в программных комплексах MATLAB и ReactOp.

В ходе работы использованы аналитические методы изучения процесса выщелачивания спековой пыли Бокситогорского глиноземного завода.

Достоверность научных результатов, выводов и рекомендаций обоснована использованием комплекса теоретических и экспериментальных методов исследования, применением современных методов компьютерных методов обработки результатов, соответствии лабораторных данных материалам обследования промышленных объектов и данными практики производства глинозема.

Апробация работы. Содержание и основные положения работы докладывались на конференциях «Автоматизация и диспетчеризация в металлургической и горно-добывающей промышленности» 2008-2010, научно-технических конференциях молодых ученых Санкт-Петербургского государственного горного института (технического университета) – Санкт-Петербург, 2008, 2009, 2010; семинарах кафедры автоматизации технологических процессов и производств СПГГИ (ТУ).

По теме диссертации опубликовано 4 научных работ, из них 1 в издании, рекомендованном ВАК Минобрнауки России.

Личный вклад автора.

Автор самостоятельно выполнил:

  • постановку задач и разработку общей методики исследований;
  • анализ современных систем управления технологических процессов в вертикальных выщелачивателях глиноземного производства;
  • лабораторные эксперименты, с использованием современных средств лабораторного анализа;
  • разработку математической модели вертикального выщелачивателя;
  • математическое моделирование алгоритмов управления технологическим процессом выщелачивания.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и библиографического списка. Содержит 155 страниц машинописного текста, 45 рисунков, 17 таблиц, список литературы из 130 наименований и приложения на 49 страницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе рассмотрена технология производства алюминия способом спекания, приведена характеристика вертикального выщелачивателя как объекта управления, проанализированы современные системы управления технологическими процессами процессом выщелачивания, способы контроля и управления, управляющие воздействия.

Вторая глава посвящена экспериментальному изучению процесса выщелачивания. Рассматривается зависимость между удельной электропроводностью раствора и временем цикла выщелачивания. Установлены оптимальное время цикла и продолжительность подачи реагентов в выщелачиватель.

В третьей главе разработана детальная математическая модель вертикального выщелачивателя, позволяющая описать протекающие процессы с учетом структуры потока и кинетики химических реакций.

В четвертой главе приведены результаты разработки системы автоматизированного управления, позволяющей использовать полученную математическую модель в качестве программного блока, который будет предсказывать поведение системы, что благоприятно скажется на стабильности концентраций компонентов алюминатного раствора.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ

1. Для прогнозирования показателей работы вертикальных аппаратов применяемых при выщелачивании спеков следует использовать математическую модель процесса, основанную на учете структуры потока в вертикальном выщелачивателе и кинетики химических реакций, что позволяет рассчитать распределение концентраций по зонам реактора с учетом движения раствора.

Основная задача управления процессом выщелачивания - стабилизация на заданном уровне концентраций А12O3 и Na2O в алюминатном растворе. При выщелачивании спековой пыли в вертикальном выщелачивателе стабилизация содержания А12O3 в алюминатном растворе осуществляется регулированием расхода и временем подачи горячей воды. Для описания процесса выщелачивания в вертикальном выщелачивателе составим математическую модель объекта управления для оценки его статических и динамических характеристик.

Вертикальный выщелачиватель представляет собой емкость, непрерывно заполняемую репульпированной спековой пылью, и периодически подаваемой горячей водой, которая, проходя через сопло особой формы, вызывает интенсивное перемешивание. Разгрузка аппарата осуществляется периодически, слив алюминатного раствора происходит непрерывно из верхней зоны аппарата.

По мнению большинства исследователей при выщелачивании бокситов любого типа лимитирующей стадией является внешняя диффузия, поскольку этому способствуют оптимальное измельчение боксита, способность его частиц к разрушению в процессе выщелачивания и интенсивное перемешивание пульпы.

За основу взята приведенная в ряде работ математическая модель процесса выщелачивания боксита имеющая следующий вид:

(1)

где

- равновесная концентрация Аl2О3 в растворе, [%];

A - текущая концентрация Al2O3 в растворе, [%];

D -коэффициент диффузии, [м2/с];

-толщина диффузионного слоя, [м];

- удельная площадь поверхности, [ 1 /м].

Коэффициент диффузии D в уравнении (1) представлен следующим выражением:

(2)

где

R - газовая постоянная, [Дж/(кмольК)];

- число Авогадро, [молекул/кмоль];

Т - температура выщелачивания, [К];

d - диаметр частицы, [м];

- вязкость растворителя (алюминатного раствора), [].

Выражения (1) и (2) поясняют влияние температуры выщелачивания на ход процесса. Кроме того, вязкость алюминатных растворов быстро убывает с нагреванием, что интенсифицирует диффузию (коэффициент D увеличивается), и, следовательно, ускоряет реакцию выщелачивания.

Равновесная концентрация оксида алюминия в растворе зависит от температуры раствора Т и концентрации N щелочи и в наиболее простом выражении может быть представлена в линейном виде:

(3)

где - коэффициенты регрессионного уравнения; Т - температура раствора [K]; N - концентрация щелочи [кмоль/м3].

Вертикальный выщелачиватель имеет сложную структуру потока. Для описания гидродинамики используем диффузионную модель (4), учитывающую перемешивание вещества, и допущение о квазигомогенности потока в виду мелкодисперсности твердой фазы.

(4)

где - концентрация i-го компонента [кмоль/м3], z – продольная координата [м].

u – средняя скорость потока, которая является разностью скоростей прямого и обратного потоков [м/с]:

(5)

Параметр DL обычно находится опытным путем и определяет обратное перемешивание в потоке, вызванное пульсирующей подачей жидкой фазы.

Для полного описания вертикального выщелачивателя необходимо учесть не только структуру потока, но и химизм процесса. Считается, что при выщелачивании протекают следующие реакции:

Na2O•Al2O3тв+4H2O=2NaAl(OH)4 Na2O•Fe2O3тв+(1+х)H2O=2NaOH+Fe2O3•xH2O 2CaO•SiO2+2NaOH+H2O=Na2SiO3+2Ca(OH)2 3Ca(OH)2+2NaAl(OH)4+mNa2SiO3=3CaO•Al2O3•mSiO2(6-2m)H2O+2(1+m)NaOH+mH2O 1.7Na2SiO3+2NaAl(OH)4=Na2O•Al2O3•1.7SiO2•H2O+ +3.4NaOH+1.3H2O (6)

Перепишем модель с учетом химических превращений:

(7)

m-число химических реакций в которых участвует i-й компонент;

i=1…N – число компонентов.

Начальные условия:

(8)
Граничные условия:
(9)
(10)

По полученной математической модели (7-10) возможно нахождение концентраций каждого компонента в любой точке аппарата z в момент времени t.

Полученная система уравнений заложена в программный пакет Matlab Simulink. Результаты математического моделирования представлены на рисунке (рис. 1).

 Результаты математического-18
Рис. 1. Результаты математического моделирования.


Pages:   || 2 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.