На правах рукописи

ЧАЙКИН ОЛЕГ МИХАЙЛОВИЧ

УПРАВЛЕНИЕ БАРАБАННЫМИ СУШИЛЬНЫМИ УСТАНОВКАМИ

C РЕЦИРКУЛЯЦИЕЙ ВЫСУШИВАЕМОГО МАТЕРИАЛА

(НА ПРИМЕРЕ СУШКИ ТЕХНИЧЕСКОГО УГЛЕРОДА)

Специальность 05.13.06 – автоматизация и управление

технологическими процессами и производствами (промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ярославль – 2010 2

Работа выполнена на кафедре «Кибернетика»

Ярославского государственного технического университета доктор технических наук, профессор

Научный руководитель Цыганков Михаил Петрович доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты:

Смирнов Владимир Николаевич кандидат технических наук, доцент Смирнов Николай Иванович ГОУВПО «Тамбовский государствен

Ведущая организация:

ный технический университет», г. Тамбов.

Защита состоится « 23 » декабря 2010 г. в _14_ часов на заседании диссертационного совета Д 212.145.02 при Московском государственном университете инженерной экологии по адресу: 105066, г. Москва, ул. Старая Басманная, 21/4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного университета инженерной экологии.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 105066, г. Москва, ул. Старая Басманная, 21/4.

Автореферат разослан «_19_» _ноября_ 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета к. т. н., доцент Мокрова Н. В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы Процессы сушки гранулированных материалов широко используются в различных отраслях промышленности и, как правило, являются энергоемкими.

В процессе сушки некоторые из видов таких материалов при малых остаточных значениях влажности оказываются хрупкими и частично разрушаются. Характерный пример представляют процессы сушки гранул в крупнотоннажном производстве технического углерода. Низкая конечная прочность гранул осложняет управление процессом. Их частичное разрушение и рециркуляция образующейся в результате этого пыли в конечном итоге приводят к необходимости повторного высушивания части материала.

Энергообеспечение сушки осуществляется за счет сжигания природного газа. Уменьшение энергозатрат, требуемых для сушки, при сохранении или повышении показателей качества продукта – одна из важных отраслевых задач.

Основные теоретические положения сушки технического углерода, опирающиеся на фундаментальные исследования А. В. Лыкова, были разработаны в трудах В. М. Осипова, И. Г. Рябинкова, И. Г. Зайдмана. В 1970-80-х гг. отраслевые исследования были направлены на выявление эффективных технологий осуществления процесса. Вопросы его математического моделирования в этот период изучались в работах А. М. Волкова. Следует заметить, что в этих работах не рассматривались задачи управления сушильной установкой в целом, как совокупностью взаимосвязанных технологических аппаратов, не учитывалась рециркуляция материала, подвергающегося частичному разрушению. Между тем, на эффективность системного подхода, отражающего специфику взаимосвязи тепловых и материальных потоков сушки с возможностями автоматизированного управления сушильными установками, указывается в работах С. П. Рудобашты и С. Н. Малыгина В настоящее время в силу сокращения деятельности или полной ликвидации отраслевых научно-исследовательских институтов основной путь поиска повышения энергетической эффективности производства – промышленный эксперимент. В промышленности технического углерода наибольшие успехи на этом пути достигнуты В. Ю. Орловым Однако, будучи весьма затратным, промышленное экспериментирование фактически не предоставляет возможностей разработки систем управления перспективными, но к настоящему времени не нашедшими отраслевого применения технологиями, такими как «доулавливание» пыли, образующейся при сушке, в фильтрах основного улавливания и сушка расходящимися потоками теплоносителя.

Для оценки таких возможностей целесообразно использование численного моделирования сушильных установок. Поэтому решаемая в диссертации задача повышения эффективности энергообеспечения сушки для используемых и перспективных технологий на основе совершенствования системы управления тепловыми потоками с применением средств математического моделирования актуальна.

Цель работы. Разработка математических моделей и методов управления тепловыми потоками в сушильных установках, обеспечивающих возможности применения перспективных энергосберегающих технологий сушки гранулированных материалов термически и механически неустойчивых при малых значениях влажности, и повышение стабильности поддержания тепловых режимов.

Для ее достижения решаются задачи:

анализа влияния способов управления тепловыми потоками, присущих различным технологиям сушки, на возможности интенсификации процессов и улучшения показателей качества высушенного материала;

построения математической модели описывающей процесс разрушения и уноса фракции мелких гранул;

изучения системных взаимосвязей, их влияния на процесс сушки и разработки математической модели сушильной установки как совокупности взаимосвязанных технологических аппаратов, для численной имитации действия и анализа работы предложенных схем управления;

разработки методов и схем управления потоками теплоносителя с учетом технологических связей между аппаратами сушильной установки и их численное моделирование.

Методы исследований. Для исследования проблемы и решения поставленных задач использовались методы математического моделирования, идентификации, математического программирования, оптимального управления, численного и аналитического решения интегро-дифференциальных уравнений.

Научная новизна В работе решены задачи повышения эффективности управления температурно-влажностным режимом сушки в сушильных установках барабанного типа с учетом частичной рециркуляции высушиваемого материала.

При их решении:

установлено, что – для энергоэффективного управления сушкой материалов с рециркуляцией разрушенных гранул следует максимизировать долю теплового потока, направляемого противотоком, в схеме прямоточно-противоточного движения теплоносителя;

на установке по производству технического углерода использование перспективной технологии «доулавливания» пыли, образующейся при сушке, в фильтрах основного улавливания может быть обеспечено регулированием разрежения в сушильном барабане.

предложены – математическое описание разрушения и уноса гранул для моделирования систем управления сушкой с рециркуляцией высушиваемого материала;

математическая модель сушильной установки как совокупности взаимосвязанных аппаратов для анализа эффективности управления рециркуляцией гранул и пыли;

введение в число компонент вектора управления значений расходов отработанного теплоносителя и хладагента.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

математическая модель для расчета статики и динамики сушильной установки c рециркуляцией высушиваемого материала с учетом взаимодействия элементов (технологических аппаратов) этой установки, метод управления сушильной установкой с учетом рециркуляции высушиваемого материала, методы повышения ресурса управления за счет целенаправленного варьирования тепловыми потоками отработанного теплоносителя, выводимыми из барабана, и расширения температурного диапазона вводимых в барабан материальных потоков, использование ячеечной математической модели сушильного барабана для расчета переходных и статических режимов систем автоматического управления в условиях применения различных схем распределения сушильного агента.

Практическая значимость Для компьютерных систем управления сушкой технического углерода разработаны алгоритмы оценки в динамике не измеряемых непосредственно переменных состояния (технологического режима) сушильной установки и усовершенствованы алгоритмы расчета показателей качества сушки;

Предложены варианты схем и алгоритмов:

организации управления тепловыми потоками сушки с учетом рециркуляции высушиваемого материала;

автоматической стабилизации технологических режимов и показателей качества сушки.

Предложенные расчетные схемы и алгоритмы оценки влияния управления распределением тепловых потоков в сушильной установке переданы в ОАО «Ярославский технический углерод» и применяются в практике совершенствования управления технологическими процессами.

Разработанное программное обеспечение использовано при обучении студентов в группах целевой подготовки специалистов для ОАО «Ярославский технический углерод», а также в курсовых работах по математическому моделированию технологических процессов для специальности «Автоматизация технологических процессов и производств».

Апробация работы и публикации. Основные результаты и научные положения диссертации обсуждались и докладывались на Международных научных конференциях:

"Математические методы в технике и технологиях”: ММТТ-20, Ярославль 2007; ММТТ-21, Саратов 2008; ММТТ-23, Саратов 2010;

Третья Международная научно-практическая конференция «Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и термовлажностная обработка материалов) СЭТТ-2008», Москва-Тамбов;

Шестая межвузовская научно-методическая конференция «Математическое образование и наука в технических и экономических вузах» Ярославль 2008;

Пятьдесят девятая, шестидесятая, шестьдесят первая, шестьдесят вторая, шестьдесят третья научно-техническая конференция студентов, магистрантов и аспирантов Ярославского государственного технического университета.

Основные положения диссертации отражены в семнадцати публикациях, четыре из которых опубликованы в рецензируемых журналах ВАК РФ. Получены три патента Российской Федерации.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, пяти основных глав, трх приложений, 53 рисунков, 15 таблиц. Объем работы составляет 150 страниц, список использованных источников содержит 110 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цели и задачи исследования, показаны его научная новизна и практическая значимость, дано краткое изложение работы.

В первой главе на примере производства технического углерода анализируются процессы и проблемы управления сушкой гранулированных материалов, термически и механически неустойчивых при низких значениях влажности. Рассматривается классификация способов сушки. Анализируются способы управления тепловыми потоками, возникающими в результате конвективного теплообмена или (и) контактной передачи тепла к высушиваемым материалам, которые можно реализовать в условиях различных технологий сушки. В силу ограничения размерности вектора управления, воздействующего на выходные переменные процессов интенсивной сушки, делается заключение о нецелесообразности применения соответствующих технологий. Причина – невозможность организации управления, раздельно воздействующего на движение потока теплоносителя и высушиваемого материала, и, как следствие, значительное истирание гранул с малым значением влажности, подтвержденное опытом эксплуатации сушилок с кипящим слоем и труб-сушилок.

Указывается, что разделение регулирующих воздействий для независимого варьирования скоростями газового потока сушильного агента и перемещения высушиваемого материала обеспечивается в барабанных сушильных установках. В качестве примера рассматриваются установки для сушки гранул в производстве технического углерода, включающем стадии образования углеродного аэрозоля в реакторе, выделения дисперсной углеродной фазы из аэрозоля в рукавных фильтрах основного улавливания, «мокрого» гранулирования выделенного пылевидного углерода с последующей сушкой влажных гранул и «доулавливанием» образовавшейся в результате сушки пыли в дополнительных фильтрах (рисунок 1). Именно поэтому такие установки являются приемлемыми с точки зрения возможностей автоматизации управления показателями качества высушиваемого материала.

Тем не менее, анализ показывает, что:

1. Для различных схем распределения тепловых потоков в барабанных сушильных установках и управления ими предлагаемые варианты решений по управлению технологическими режимами сушильного барабана не учитывают их влияние на эффективность управления установкой в целом, как системой взаимосвязанных технологических аппаратов;

2. Не исследовано влияние характера управления на степень разрушения термочувствительных высушиваемых материалов и связанное с этим снижение эффективной нагрузки барабана и повышение удельных энергозатрат;

3. В известных системах автоматического управления температурным режимом не рассмотрены возможности повышения управляющего ресурса использованием некоторых из тепловых потоков в качестве управляющих.

4. Использование перспективных технологий сушки в барабанных сушильных установках сдерживается недостаточной проработкой вопросов управления ею.

(Пунктиром обозначены варианты перенаправления потоков теплоносителя в перспективных технологиях сушки; ослаблением яркости линий выделен устраняемый модернизацией технологий участок системы) На основании выполненного анализа ставится задача исследования:

разработать принципы и алгоритмы управления сушильными установками барабанного типа с частичной рециркуляцией высушиваемого гранулированного материала, обеспечивающие возможности целенаправленного воздействия на рециркуляцию и применения перспективных энергоэффективных технологий сушки технического углерода, а также повышающие стабильность температурного режима.

Во второй главе рассматриваются системные эффекты управления сушильной установкой при замене прямоточной схемы движения теплоносителя во внутренней полости барабана (рисунок 1) прямоточно-противоточной схемой без изменения известных способов управления ею.

Влажные гранулы образуются за счет смачивания и интенсивного перемешивания дисперсного материала. Из гранулятора они поступают в сушильный барабан с внешним обогревом. Пары из барабана удаляются просасыванием через него газов горения, захватывающих материал, разрушенный при высушивании, и переносящих последний в фильтр «доулавливания». После отделения от газовой фазы пыль смешивается в бункере с потоком дисперсного материала и подается на повторные гранулирование и сушку.

Перспективными (энергоэффективными) технологиями являются технологии сушки расходящимися потоками теплоносителя и очистки отработанного теплоносителя в фильтре основного улавливания (обозначены пунктиром на рисунке 1). Основной проблемой их применения в условиях использования традиционных систем управления является повышение риска аварийных ситуаций. Риск обусловлен ростом концентрации кислорода в газах, направляемых в этот фильтр. Наличие свободного кислорода в аэрозоле может вызвать возгорание таких его газовых компонентов, как CO и H2.

Для снижения концентрации кислорода в отработанном теплоносителе предлагается уменьшить подсос воздуха в барабан путем воздействия на поток отводимых из барабана газов. Это воздействие рассматривается как регулирующее в схеме стабилизации разрежения в барабане. Разработан алгоритм мониторинга подсоса воздуха по результатам контроля технологического режима аппарата и состава отводимых газов.

В третьей главе рассматриваются и совершенствуются математические модели сушки на примере технического углерода. Для описания процесса сушки в барабане использована ячеечная модель, простые алгоритмы решения которой позволяют, с одной стороны, отказаться от ряда упрощающих допущений моделирования, с другой - косвенно учесть продольное перемешивание в пределах газовой фазы и потока влажных гранул. В отличие от известных форм ее применения она используется как для расчета переходных и установившихся режимов динамики, так и для статической оптимизации, что практически снимает проблему выбора метода решения краевых задач. Ячейка участка барабана с прямоточным движением теплоносителя показана на рисунке 2.

Материальный и тепловой балансы по газовой фазе для прямоточного движения теплоносителя на участке «постоянной» скорости сушки для i -той ячейки описываются уравнениями:

где Qг i = КгSггХi (Тзвт – Tг i); Qггр i = 1SггрХi (Тг i – Tв), Мгi=SXi г масса газа, кг; S площадь сечения барабана, м2; Xi – длина ячейки, м; г – плотность теплоносителя, кг/нм3; Gг – расход теплоносителя, нм3/ч; Тг – температура теплоносителя, С; Тзвт – средняя температура в топке зоны высоких температур С; сг – средняя теплоемкость теплоносителя, кДж/(кг С), Qгi – тепловой поток через стенку от газа в топке к газу внутри барабана, кДж/ч; Кг – коэффициент теплопередачи через стенку от газа в топке к газу внутри барабана, кДж/ч м2 С; Sгг – площадь поверхности теплопередачи от газа в топке к газу внутри барабана на ход влаги, кг/ч; Gгжисп – испарившаяся влаМатериальный баланс по га, кг/ч; Gгр – расход гранул, кг/ч; Х, i – длина, м и номер ячейки dMж i /dt = Gгж i -1 – Gгж i – Gгжисп i, где Gгж i = Kв Mж i, Kв – коэффициент, отражающий конструктивные особенности сушильного барабана 1/час.

Температура жидкости в гранулах, как и температура гранул, постоянна и равна температуре влажного термометра, а количество испаряемой влаги в i-той ячейке: Gгжисп i = (1/ в) [1SггрХi (Тг i – Tв) + Kсгр1SсгрХi (Tзвт – Тв)], где Ксгр1 – коэффициент теплопередачи через стенку от газа в топке к гранулам внутри барабана, кДж/ч м2 С; в – удельная теплота парообразования, кДж/кг; Sсгр – удельная поверхность теплопередачи, м2/м.

На участке падающей скорости происходит нагрев материала, который описывается уравнением, связанным с его влажностью:

где Wi = Mж i /MТУ i. – влагосодержание в i-той ячейке, кг/кг; MТУ – масса технического углерода в ячейке; Kсгр2 - коэффициент теплопередачи через стенку от газа в топке к гранулам внутри барабана для участка падающей скорости сушки, кДж/ч м2 С; 2 - коэффициент теплоотдачи от теплоносителя к гранулам для участка падающей скорости сушки, кДж/ч м2 С; сгр – теплоемкость гранул, кДж/(кг С); Tгр – температура гранул, С; Sгр(R)- площадь поверхности гранулы диаметром R, м2; WК – критическое влагосодержание, кг/кг; D – диаметр гранулы, м; T - коэффициент теплопроводности гранулы, кДж/ч м С.

Первые два слагаемых в правой части уравнения описывают тепловые потоки, приходящие к материалу, а последнее слагаемое - тепловой поток, испаряющий остаточную влагу, находящуюся внутри гранулы.

Значения коэффициентов теплопередачи и теплоотдачи в модели, известные из литературы, приняты как первые приближения и уточняются идентификацией для конкретной промышленной установки.

Результаты идентификации иллюстрируются на рисунке 3, на котором сопоставлены расчетная и экспериментальная кривые переходного процесса в барабане на одном из технологических потоков ОАО “Ярославский технический углерод”, вызванного ступенчатым воздействием на подачу топлива при кратковременном отключении и последующем подключении системы автоматического регулирования температуры отработанного что степень разрушения в значительной мере определяется тепловым режимом процесса. Поэтому в работе предлагается математическая модель разрушения гранул, определяемого этим Рисунок 3 – Пример переходного процесса следующие допущения:

- в области физико-механической связи влаги с материалом градиент влагосодержания и температуры в грануле равен нулю;

- в области критического влагосодержания имеются поверхностный слой абсолютно сухого материала и воображаемая сфера диаметром Dw, внутри которой материал - гранула разрушается полностью в пыль.

Выражение для перепада давления на сухой части гранулы в сечении х барабана, с учетом описания гидравлического сопротивления и теплопередачи имеет вид P=2 TD W – 1, где K – коэффициент теплопередачи грах нулы, Вт/м2С; - удельное гидравлическое сопротивление материала гранулы, 1/с; T - разность между температурами теплоносителя и гранулы, С, D - диаметр гранулы высушиваемого материала, м;

Расход гранул из сушильного барабана связан с коэффициентом рецикла, зависящим от вероятности разрушения гранул. Учитывается, что доля разрушенных гранул зависит как от перепада давления P, так и от времени t пребывания гранул под действием этого перепада на сухом слое, выражаемым через расстояние х от точки критического влагосодержания до места расположения порции материала. = A·P(x)2dx, 0 < < 1, где А= K – коэффициент, определяемый экспериментально.

Для использования полученного выражения в ячеечной модели сушильного барабана х заменяется дискретной переменной, а интеграл - суммированием.

При описании процесса уноса гранул учитывается, что потоком захватываются частицы, имеющие диаметр меньше критического. Доля уносимых гранул при известной скорости потока теплоносителя рассчитывается по характеристикам распределения их размеров, полученного из экспериментальных данных и полагающегося далее неизменным.

Гистограмма экспериментального распределения гранул по размерам до и после их частичного разрушения при сушке приведена на рисунке 5 и использована для идентификации модели разрушения.

фракция фракция фракция фракция фракция фракция фракция фракция фракция Рисунок 5 – Распределение гранул по размерам до и после разрушения в сушильном барабане Входными данными для расчета являются расходы топлива, воздуха, испаренной жидкости, температура отработанного теплоносителя, плотность и начальный диаметр гранул. Скорость уноса рассчитывается итеративно по ческого подобия Архимеда Ar = (d3чсрg) / µср2, µср, ср – вязкость и плотность газовой среды, d – диаметр частиц материала.

Группа описанных выше моделей, дополненная упрощенным описанием движения пыли в тракте рецикла, образует математическую модель сушильной Рисунок 6 - Межэлементные связи в модели сушильной установки с прямоточным движением должна быть выше предела, материала, на уровень h материала в бункере; на расход Gг теплоносителя: