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 | 3 | 4 | 5 |

Разработка научных основ процессов формирования фракционных массопотоков в технологических системах измельчения

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Смирнов Станислав Федорович





Разработка научных ОСНОВ процессов

формирования фракционных массопотоков

В ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

по специальностям: 05.02.13 – Машины, агрегаты и процессы (строительство)

05.17.08 – Процессы и аппараты химических технологий








Иваново 2009

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Ивановский государственный архитектурно-

строительный университет»

Н а у ч н ы е к о н с у л ь т а н ты:

доктор технических наук, профессор Жуков Владимир Павлович

член-корреспондент РААСН,

доктор технических наук, профессор Федосов Сергей Викторович

О ф и ц и а л ь н ы е о п п о н е н т ы:

доктор технических наук, профессор Богданов Василий Степанович

доктор технических наук, профессор Бобков Сергей Петрович

доктор технических наук, профессор Шувалов Сергей Ильич

В е д у щ а я о р г а н и з а ц и я : Ярославский государственный

технический университет

Защита состоится …16 октября……… 2009 г. в …11…. часов на заседании Совета по защите докторских и кандидатских диссертаций ДМ 212.060.01 при ГОУ ВПО «Ивановский государственный архитектурно-строительный университет» по адресу: 153002, г. Иваново, ул. 8 Марта, 20.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Ивановский государственный архитектурно-строительный университет»

Автореферат разослан 2009 г.

Ученый секретарь совета

ДM 212.060.01, к.т.н. Н.В. Заянчуковская

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. В строительной индустрии и химической промышленности процессы измельчения играют ключевую роль в получении тонкодисперсных материалов и полуфабрикатов, соответствующих жестким технологическим требованиям и объемам производства с наименьшими материальными и энергетическими затратами. В исследовании процесса измельчения сложилась ситуация, заключающаяся в том, что, хотя за последние десятилетия основные положения о физике измельчения отдельных частиц практически не изменились, сам процесс измельчения в технологических системах измельчения (ТСИ) до сих пор, несмотря на многочисленные экспериментальные и теоретические работы в этом направлении, является недостаточно изученным процессом.

Публикации, посвященные процессам измельчения и классификации, более всего отражают накопленный опыт эксплуатации ТСИ, чем их теоретическое обоснование и системный анализ процессов. Это объясняется в основном тем, что математическое моделирование процесса измельчения представляет собой сложнейшую задачу, сложность которой обусловлена случайным, практически недоступным для наблюдения характером движения и разрушения частиц в мельнице, а также чрезвычайным разбросом свойств частиц по прочности, геометрическим размерам, форме. Поэтому исследования процесса измельчения пошли по наиболее доступному и простому пути: осуществлялось тестовое измельчение материала в определенных стандартных условиях и результаты измельчения, используя принципы масштабного перехода и некоторые теоретические предпосылки, переносились на реальные ТСИ. Этот подход скорее может служить способом определения сравнительной измельчаемости материалов, чем основой проектирования ТСИ, так как слишком мало факторов, влияющих на процесс, воспроизводится в тестовой лабораторной мельнице.



Прогресс в исследовании процессов измельчения может быть достигнут только на пути научного, комплексного анализа технологических систем измельчения, состоящих из измельчителей и мельничных классификаторов, на основе математических моделей процесса, учитывающих схемы соединений элементов ТСИ, связи между ними, движение материала, закономерности изменения его гранулометрического состава. Традиционно сложилось так, что в качестве основной характеристики дисперсности материала строительная промышленность использует его удельную поверхность, уделяя меньшее внимание содержанию отдельных классов крупности, а химическая – фракционный состав материала при меньшем внимании к удельной поверхности. На наш взгляд, было бы плодотворным объединить и развить успехи, достигнутые в этих отраслях на единой методологической основе, базирующейся, например, на использовании ячеечных моделей процессов измельчения и классификации. Их основными преимуществами являются: возможность гибкого выбора уровня декомпозиции системы, возможность применения матричного описания систем сложной структуры и возможности имеющихся компьютерных средств для вычислительной реализации матричных описаний.

С учетом сказанного выше считаем, что разработка научных основ формирования фракционных массопотоков в ТСИ с использованием системного подхода и ячеечных описаний, позволяющих ставить и решать задачи оптимизации процессов измельчения и классификации, оптимального управления ими в технологических системах измельчения строительной индустрии и в химической промышленности, является актуальной научной и практической задачей.

Работа выполнялась в рамках ФЦП «Интеграция» (2.1 – А118 Математическое моделирование ресурсосберегающих и экологически безопасных технологий) и международных договоров о научном сотрудничестве с Горным институтом г.Алби (Франция) и Ченстоховским политехническим институтом (Польша).

Цель работы состоит в повышении эффективности производства и качества дисперсных материалов в строительной и химической промышленности с использованием единого подхода к их моделированию, расчету и оптимизации.

Объект исследования – технологические системы измельчения строительной индустрии и химической промышленности с трубными, шаровыми барабанными и вибрационными мельницами, струйными мельницами кипящего слоя и барабанными грохот-дробилками.

Предмет исследования закономерности формирования фракционных массопотоков в технологических системах измельчения сложной структуры и возможности управления ими с целью повышения качества готового продукта и эффективности его производства.

Научная новизна:

1. В рамках теории цепей Маркова с использованием ячеечных моделей разработаны научные основы процессов формирования фракционных массопотоков в технологических системах измельчения, позволяющие ставить и решать задачи по их моделированию, оптимизации и управлению.

2. Предложена обобщенная ячеечная модель ТСИ, учитывающая совместное протекание процессов измельчения и классификации и позволяющая описывать новый класс машин, включающий, например, барабанные грохот-дробилки, струйные мельницы кипящего слоя и др.

3. Предложена вероятностная модель для определения вида селективной функции измельчения для шаровых, вибрационных мельниц и мельниц самоизмельчения, учитывающая гранулометрический состав мелющих тел и измельчаемого материала.

4. Предложено кинетическое уравнение классификации материала в кипящем слое, получено его решение для случаев постоянной и переменной высоты слоя загрузки материала в размольной камере.

5. На основе уравнений турбулентной фильтрации разработана модель движения материала в барабанных измельчителях. Показаны границы применимости указанного подхода.

6. Сформулирована и решена задача оптимального позиционирования возврата в замкнутых системах измельчения с двух- и многопродуктовым мельничным классификатором. Показано, что подача возврата в оптимальное сечение мельницы позволяет повысить ее производительность до 25 % при одинаковой тонкости помола.

7. Сформулирована и решена в рамках ячеечного подхода задача оптимального управления питанием трубных мельниц, которое обеспечивает максимальную производительность при сохранении требуемой крупности продукта или минимальную крупность при фиксированной производительности.

8. Получены результаты экспериментальных исследований кинетики измельчения и кинетики классификации материала в струйной мельнице кипящего слоя при варьировании загрузки мельницы, расхода газа и скорости вращения ротора классификатора, использованные для идентификации моделей и эмпирического обеспечения метода их расчета.

Практическая значимость:

1. На основе разработанных математических моделей предложен метод расчета фракционных потоков измельчаемого материала в ТСИ, а также средства его компьютерной поддержки.

2. Метод расчета оптимального положения подвода возврата в трубную мельницу, которое обеспечивают наиболее тонкий помол при фиксированной производительности.

3. Метод расчета селективного дробления разнопрочных компонентов для проектирования технологии обогащения строительного и химического сырья, обеспечивающей заданную степень чистоты целевых компонент.

4. Выбраны оптимальные режимы пульсирующей подачи материала в трубную мельницу, обеспечивающие максимальную производительность при заданной тонкости помола.

6. Разработанные методы расчета, их программное обеспечение, решения на их основе проектных и конструкторских задач внедрены в Ченстоховском политехническом университете (Польша), ООО ПОЛИМЕРПЛАСТБЕТОН (г. Ярославль), ООО «Янтарь» (г. Иваново), ООО « ИСМА» (г. Иваново). Модернизация системы измельчения гранул полиэтилена в ООО «ПОЛИМЕРПЛАСТБЕТОН (г. Ярославль) позволила на 12% повысить ее производительность. Технические изменения в системе управления питанием системы измельчения с шаровой мельницей для сверхтонкого измельчения мела в линии производства высокодисперсных паст ООО «Янтарь» (г. Иваново) позволили увеличить выход годной продукции и получить годовой экономический эффект 720 тыс. руб. Настройка режимов работы ТСИ помола абразивных материалов в ОАО «ИСМА» (г. Иваново) привела к повышению производительности установки на 7,9 %.

Автор защищает:

1. Ячеечные двухмерные математические модели движения, измельчения и классификации материала в ТСИ с вибрационными, барабанными мельницами и струйными мельницами кипящего слоя.

2. Обобщенную ячеечную модель совмещенных процессов измельчения и классификации, позволяющую описывать формирование гранулометрических составов в ТСИ с барабанными грохот-дробилками, струйными мельницами кипящего слоя.

3. Вероятностный подход для определения вида селективной функции при измельчении и самоизмельчении материала в вибрационных и барабанных мельницах.

4. Кинетическое уравнение классификации материала в кипящем слое для случаев постоянной и переменной высоты слоя загрузки материала в реакторе.

5. Модель движения материала в шаровых барабанных и вибрационных мельницах, построенную на уравнении турбулентной фильтрации, и условия ее применения.

6. Формулировку и решение задачи оптимального позиционирования возврата в замкнутых технологических системах измельчения с многопродуктовыми классификаторами.

7. Постановку и решение задачи оптимального управления питанием трубных барабанных мельниц для обеспечения повышения производительности установки или получения более мелкого продукта при заданной производительности.

Апробация результатов работы. Результаты работы доложены и обсуждены на следующих международных конференциях: "Теоретические основы создания, оптимизации и управления энерго- и ресурсосберегающими процессами и оборудованием" (Иваново, 2007), "Состояние и перспективы развития электротехнологии» (IX, XIV, XV «Бенардосовские чтения" (Иваново 1999, 2007, 2009 )), "Информационная среда вуза"(Иваново, 2007), "Математические методы в технике и технологиях" (ММТТ 2007, 2008, 2009), «Компьютерные технологии в науке, проектировании и производстве» (Нижний Новгород, 1999).





Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 30 печатных работах, в том числе в 11 изданиях, предусмотренных перечнем ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, основных выводов, списка использованных источников (334 наименований) и приложений. Работа содержит 261 страницу основного текста и приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована ее цель и задачи исследования, а также научные положения, выносимые на защиту, и ее практическая значимость.

В первой главе на основе литературных источников проведен анализ современного состояния технологии измельчения сыпучих материалов. Выполнен обзор технологических систем измельчения, их составных частей измельчителей и классификаторов, приведены наиболее часто встречающиеся технологические системы измельчения и их характеристики.

Моделированию кинетики измельчения, как основному процессу при измельчении сыпучих материалов, посвящено большое количество работ. Введение Розиным - Раммлером интегральной формулы для описания гранулометрического состава по крупности привело к активному поиску в этом направлении интегральной функции распределения R(x), отысканию ее параметров и зависимости от времени. Для согласования ее с опытными данными было введено большое количество опытных коэффициентов, определяемых по методу наименьших квадратов, что принципиально не позволяет при данном подходе отыскать пути по вариативному исследованию процесса измельчения.

Наиболее перспективной явилась дифференциальная популяционнобалансовая модель, предложенная А. И. Загустиным, в которой декомпозиция была сведена до элементарного объема. Этот подход был обобщен Б. Эпштейном, Р.П. Гарднером, Л.Г. Аустиным, и на его базе была разработана селективная модель измельчения. Наиболее полный анализ процесса измельчения для этого подхода был выполнен в работах В.В. Кафарова и его школы, но со значительным упрощением и с обязательным использованием эмпирических данных о составляющих процесса. Представляют определенный интерес исследования селективной функции измельчения, характеризующей скорость измельчения при использовании энтропийного подхода в соответствии с представлениями информационной (шеноновской) энтропии, выполненные В.П. Жуковым. Энтропийный подход к исследованию сложных систем по этому направлению за рубежом представлен в работах К. Шенерта, З. Бернотата и ряда других авторов. В работах А. Линча, А. Гейма, А. Ауера и других авторов селективная модель измельчения представлена в наиболее прогрессивной    матричной форме,  но не свободной однако от эмпирического определения функции измельчения и времени пребывания в мельнице фракций материала.

Обзор работ по определению селективной функции измельчения показал, что в большом количестве работ не решены вопросы по переносу результатов тестовых измерений на реальные мельницы, по исследованию изменения параметров селективной функции при изменении плотности подвода энергии, по влиянию нелинейных эффектов на кинетику измельчения. Исследование селективной функции измельчения было проведено в работах В.П. Жукова, В.Е. Мизонова. Опытная проверка показала ее эффективное использование в вибромельницах по прогнозированию скорости измельчения частиц среднего размера. На основании экспериментов ими была получена кусочно постоянная аппроксимация селективной функции для любых размеров частиц. Для описания процесса распределения по размерам осколков разрушения из большого числа полуэмпирических работ была принята как наиболее универсальная линейная распределительная функция, которая была получена также теоретически В.П. Жуковым при энтропийном подходе при достаточно большом энергоподводе. Данный вид распределительной функция и был использован в настоящей работе.

Время пребывания или скорость движения в мельнице различных фракций материала является одним из основных факторов, определяющих изменение гранулометрического состава. В подавляющем числе работ исследуется среднее время пребывания материала в мельнице. Исследования с помощью химического трассера в барабанной мельнице показали наличие диффузионной компоненты скорости движения материла вдоль оси мельницы. Более поздние исследования с радиоактивными трассерами показали существование застойных зон и обратных движений, но в определенных тестовых условиях. Более плодотворной является введенная В.Е. Мизоновым, З. Бернотатом, А.А. Поспеловым разгрузочная характеристика мельницы, связывающая материальную загрузку мельницы с ее производительностью. Движение фракций материала вдоль мельницы, представлено одномерной стохастической моделью при смешении сыпучих материалов, которая эффективно использовалась В.Е. Мизоновым и А. Бертье.

Показано, что классификатор является важной частью ТСИ, служащей для сортировки частиц по крупности. Приведены основные параметры процесса классификации и классификаторов. Для описания процесса классификации применяются кривые разделения, значения которых показывают вероятность попадания наблюдаемой фракции в тонкий продукт. Экспериментальные кривые разделения хорошо описываются аппроксимирующей формулой, предложенной О. Молерусом. Наиболее полно методы расчета классификаторов различного типа даны в работах В.Е. Мизонова, С.Г. Ушакова на основе численных и аналитических решений уравнений стохастического моделирования.



Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |
 

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.