автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Моделирование процесса обжига известняка в шахтной печи на основе теории цепей Маркова

На правах рукописи

ВАНЮШКИН Владимир Александрович

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ОБЖИГА ИЗВЕСТНЯКА В ШАХТНОЙ ПЕЧИ НА ОСНОВЕ ТЕОРИИ ЦЕПЕЙ МАРКОВА

05.02.13 ~ Машины, агрегаты и процессы (строительство)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Иваново 2004

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ивановский государственный химико-технологический университет».

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор, член-корреспондент АИН Зайцев Виктор Александрович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Жуков Владимир Павлович кандидат технических наук, доцент Сокольский Анатолий Иванович

Ведущая организация:

Научно-исследовательский экспериментально - конструкторский машиностроительный институт (НИЭКМИ), г. Иваново.

Зашита состоится 23 декабря 2004 г. в _ часов на заседании диссертационного совета Д 212.060.01 в ГОУВПО «Ивановская государственная архитектурно - строительная академия» по адресу: 153037, г. Иваново, ул. 8 Марта, 20, главный корпус, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУВПО «Ивановская государственная архитектурно - строительная академия».

Автореферат разослан «_22_» ноября 2004 г.

диссертационного совета

Учёный секретарь

Общая характеристика работы

Актуальность темы диссертации. Аппараты для термической переработки сыпучих материалов (в частности, обжиговые печи) широко используются в строительной, химической и других отраслях промышленности. При обработке традиционных материалов, по которым накоплен опыт проектирования и эксплуатации, они зарекомендовали себя как аппараты, обеспечивающие достаточно высокую эффективность проводимых в них процессов и высокую 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 моделях однородного прогрева частиц, 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 энергосберегающих мероприятий для действующего оборудования.

В последнее время значительная часть научных исследований в этой области была направлена на углубление описания теплообменных процессов между одиночной частицей дисперсного материала и газом и исследование кинетики реакции термического разложения в ней, и в этом направлении достигнут значительный прогресс. Однако при переходе к описанию процессов в большом коллективе частиц, то есть в реальном аппарате, по-прежнему используются простейшие балансовые модели, представляющие собой весьма приближенный подход, не позволяющий описывать развитие процессов по длине аппарата, разрабатывать мероприятия по управлению ими и оптимизировать их. Естественно, что это существенно снижает универсальность предлагаемых моделей и алгоритмов расчета, которые могут быть использованы в практике инженерного проектирования. Сложившаяся ситуация определила цель настоящей работы, которая выполнялась в рамках ФЦП «Интеграция» (2.1 - А118 Математическое моделирование ресурсосберегающих и экологически безопасных технологий) и планом НИР ИГХТУ.

Цель работы состояла в повышении универсальности и достоверности методов расчета и проектирования обжиговых печей для термической переработки сыпучих материалов на основе создания математических моделей, построенных на единых представлениях теплопереноса при наличии химических реакции как внутри одиночной частицы, так и в их ансамбле. Научная новизна - результатов работы заключается в следующем:

1. Предложена центрально-симметричная ячеечная модель теплопроводности в одиночной частице, позволяющая численно моделировать распределение температуры по радиусу при любых граничных условиях протекания процесса и наличии внутренних источников тепла, вызванных химической реакцией. Выявлены условия, когда прогрев частицы может считаться однородным.

2. Предложено описание реакции термического разложения вещества частицы как реакции первого порядка с постоянной скорости, имеющей пороговое значение по температуре и подчиняющейся закону Аррениуса при более высокой температуре, а также теплового эффекта этой реакции.

3. Разработана ячеечная математическая модель противоточной шахтной обжиговой печи, позволяющая рассчитывать распределение всех параметров обжига по ее длине.

4. Выполнены экспериментальные исследования кинетики обжига известняка и предложено аналитическое описание этой кинетики.

5. Разработано программно-алгоритмическое обеспечение математического моделирования указанных процессов.

Практическая ценность результатов работы состоит в следующем:

1. На основе разработанных моделей предложен инженерный метод расчета процесса термического разложения в шахтной противоточной печи, позволяющий использовать любые модели теплообмена между сыпучим материалом и газом, а также описания кинетики реакции обжига.

2. Выполнена идентификация параметров модели для обжига известняка и на ее основе предложен метод расчета шахтной обжиговой печи.

3. Метод расчета и его программно-алгоритмическое обеспечение, а также конкретные рекомендации по совершенствованию процесса обжига приняты к внедрению на ОАО «Ивановский силикатный завод» и других промышленных предприятиях.

Автор защищает:

1. Разработанную, на основе цепей Маркова, математическую модель прогрева сферической частицы с учетом протекающей в ней эндотермической реакции.

2. Разработанную, на основе цепей Маркова, математическую модель термического разложения сыпучего материала в противоточном потоке горячего газа.

3. Результаты экспериментального исследования кинетики обжига известняка.

4. Метод расчета обжига известняка в противоточной обжиговой печи и его программно-алгоритмичекое обеспечение.

Апробация результатов работы. Основные результаты работы были доложены, обсуждены и получили одобрение на Международной научной конференции «Энерго-ресурсосберегающие технологии и оборудование, экологически безопасные производства», Иваново, 2004г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 печатных работы. Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, списка использованной литературы и приложений. Объём работы 122 страницы основного текста, включая 50 иллюстраций, 2 таблицы, и 5 приложений. Библиография содержит 119 наименований.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы, охарактеризована научная новизна и практическая ценность полученных результатов, сформулированы основные положения, выносимые автором на защиту.

В первой главе на основе литературных источников проанализированы процессы и оборудование для обжига строительных материалов, а также современное состояние вопроса расчета и математического моделирования процессов термической переработки сыпучих материалов, в частности, процессов обжига в шахтных печах. Отмечено, основным физическим содержанием процесса является прогрев частиц сыпучего материала, сопровождающийся естественным отводом тепла на эндотермическую реакцию термического разложения. Подавляющее большинство реально используемых в промышленности методов расчета базируется на интегральных балансовых соотношениях тепла, не учитывает локальных распределений параметров процесса по высоте печи, что затруднят разработку эвристических рекомендаций по его совершенствованию и переносу имеющейся опытной базы проектирования на расчет процессов с другими материалами. Несмотря на значительные успехи, достигнутые в математическом моделировании теплообмена между одиночными не реагирующими частицами сыпучего материала и газом, перенос этих результатов на расчет процессов в сыпучем материале в целом осуществляется на основе простейших моделей, не учитывающих, в частности, характер движения компонентов. Среди подходов к описанию эволюции аддитивных свойств выделен в качестве одного из наиболее перспективных подход, основанный на теории цепей Маркова, которому в последнее время уделяется все большее внимание при построении математических моделей физико-химических процессов. Этот подход использовался в работах ряда российских и зарубежных авторов довольно давно, но новый всплеск интереса к этому подходу в значительной степени инициирован монографией А.Тамира (химическая инженерия) и многочисленными работами В.Е. Мизонова и А. Бертье с соавторами (процессы в дисперсных средах). Эффективность его применения к моделированию процессов тепломассобмена в барабанных сушилках, весьма сходных с рассматриваемыми процессами, показана в работах Ю.Е. Тальянова. Поэтому теория цепей Маркова была выбрана методологической основой данной работы. В заключении главы сформулированы детализированные цели работы.

Вторая глава посвящена разработке на основе теории цепей Маркова математической модели теплопроводности в сферической частице с учетом внешнего теплообмена и внутренних источников тепла, вызванных химической реакцией. Ячеечная (цепная) модель сферического сектора частицы показана на рис.1. Базовой моделью является модель теплоизолированной частицы. Плотность теплового потока между ячейками считалась подчиняющейся закону Фурье для теплопроводности. Особенностью модели является то, что объем ячеек цепи возрастает по радиусу, вследствие чего количество тепла в соседних ячейках не пропорционально их температурам.

Рис.1. К построению ячеечной модели теплопроводности в сферической

частице.

Из уравнений теплового баланса была получена матрица переходов тепла из ячейки в ячейку за малое время перехода М

(1)

где

(2)

а с, р и X - теплоемкость, плотность и теплопроводность материала, соответственно, Дг - радиальная протяженность ячейки, одинаковая для всех ячеек. Матрица (1) удовлетворяет условию нормировки по столбцам, то есть по смыслу совпадает с матрицей переходных вероятностей, но по строкам она не нор-

мирована, и асимптотическое распределение количества тепла по ячейкам не является равномерным.

Аналогичная переходная матрица для температур имеет вид

ООО

О 01

0 0

о

(3)

о о а^-

0 0 о

Здесь сумма элементов по строкам равна единице, то есть асимптотическое распределение температур по ячейкам равномерное, но по столбцам нормировка к единице отсутствует.

Изменение площади контакта между ячейками в сферическом секторе подчинено соотношениям

Для устойчивой вычислительной процедуры и сохранения физического смысла переходов необходимо, чтобы все элементы переходных матриц были неотрицательными. С этой точки зрения критическим является элемент Рц обеих матриц, из условия положительности которого следует необходимость выполнения неравенства (!<0,25. Поскольку согласно (2) параметр d содержит как теплофизические свойства материала, так и введенные шаги г и ^ последние не могут быть выбраны совершенно произвольно, а должны обеспечить условие то есть при малом пространственном шаге г временной шаг не может быть произвольно большим.

Таким образом, матричное равенство

с определенной соотношениями (2),(3) матрицей Ру и известным начальным распределением температуры по ячейкам полностью описывает процесс изменения температуры в теплоизолированной сферической частице без внутренних источников тепла.

При наличии внешнего теплообмена (например, нагрева) к внешней ячейке будет непрерывно подводиться тепло, которое вызовет за переход дополнительное изменение температура последней п-й ячейки, определяемое равенством

к+,=РтТк

(6)

ТГ=Т! +

оУМу О рс5яДг

=т;+а„(т„-П)

где

(8)

- безразмерный параметр теплоотдачи от среды к частице, в котором а - коэффициент теплоотдачи.

Пусть в нагреваемом теле происходит эндотермическая химическая реакция термического разложения вещества А, характеризуемая тепловым эффектом Цп, [дж/кг]. Не нарушая общности на данном этапе моделирования, предположим, что реакция имеет первый порядок, а ее кинетическое уравнение имеет вид

(9)

где - постоянная скорости реакции, которая зависит от температуры процесса.

Предположим также, что эта зависимость носит пороговый характер, то есть до некоторой температуры реакция не идет вообще а при более

высокой температуре (начиная с пороговой) справедлив закон Аррениуса. Тогда при она имеет вид

(10)

„ ЦТ -ТА

где - температура газа и

Если ввести в качестве масштаба величину постоянной скорости при температуре газа

, .. ад,-г.»

(И)

то температурная зависимость для постоянной скорости при примет вид

кл(Т)=кл(Т.)е " *

Ж-Е? (г-гп>

(12)

Тогда изменение концентрации реагирующего вещества в ячейке на переходе составит

е>г„)

с^-с^-кАТ^-г*' д,), (13)

что вызовет поглощение тепла (т - масса реагирующего вещества в ячейке)

<Г,-Г0)

де;==-^ХВДР ^ о< д/,

(14)

и приведет к соответствующему изменению температуры, вызванному именно этим процессом

(15)

(16)

- приведенный тепловой эффект реакции.

Разработанная модель позволяет рассчитывать изменение распределения температуры по радиусу частицы при ее прогреве с учетом локального внутреннего поглощения тепла, вызванного проходящей в ней эндотермической реакцией, а также кинетику этой реакции по радиусу частицы. Примеры расчетного анализа процесса показаны на рис.2,3. Рис.2 иллюстрирует влияние приведенного теплового эффекта реакции на эволюцию распределения температуры и степени завершения реакции (величины 1 - Сд) по радиусу частицы. При нулевом тепловом эффекте прогрев частицы близок к однородному, но степень завершения реакции во внутренних зонах частицы уже значительно отстает от внешних. С ростом теплового эффекта распределение температуры все более деформируется так, что прогрев внутренней зоны частицы замедляется, что приводит к соответствующей задержке протекания реакции. При значительной величине теплового эффекта (нижняя пара графиков) возникает ситуация, когда реакция на периферии частицы уже полностью завершена, а в центральной зоне практически еще не начиналась, лимитируется внешним теплообменом (тепловой поток теплопроводностью много больше теплового потока к поверхности), прогрев частицы и реакцию в ней можно рассматривать как однородные по радиусу частицы. Это иллюстрируется распределениями, показанными на рис.3 для двух значений скорости реакции. При малой скорости реакции распределение температуры и концентрации по радиусу практически равномерны на каждом переходе, и процесс можно рассматривать как однородный.

Рис.2. Влияние теплового эффекта реакции на протекание процесса (к(Т8)=0,02; а2=0,08;с1=0,05; Т0=0,6; р=0,5).

Рис 3. Влияние постоянной скорости реакции на протекание процесса (<и=0,5; а2=0,02; <1=0,2; 0=0,5)

Поскольку указанные соотношения весьма характерны для процесса обжига известняка в шахтных обжиговых печах, дальнейшее построение моделей использует гипотезу об однородности прогрева частицы, когда распределенная ячеечная модель, показанная на рис.1, вырождается в локализованную, то есть одно-ячеечную.

Третья глава посвящена разработке математической модели процесса в проти-воточной обжиговой печи. Предварительно записано уравнение изменения температуры при однородном прогреве одиночной частицы в газе с постоянной температурой с учетом теплового эффекта реакции

7- = г и^ = Т'.аАТ,-Т'У^с'У^

РСУ . (17)

- параметр конвективного теплопереноса. Изменение концентрации реагирующего компонента может быть описано уравнением (13), в котором опушен индекс,]'.

Рнс.4. Изменение по времени температуры частицы и степени завершения реакции при различных значениях параметра Р (к(Те)^0,02; ас:=0,02;

Чтг=2)

На рис.4 показано влияние параметра р на кинетику прогрева и степени завершения реакции (чем выше значение этого параметра, тем сильнее скорость реакции зависит от температуры). С изменением Р кинетика прогрева качественно меняется. Так при Р=1 при достижении пороговой температуры происходит быстрая реакция разложения с постоянной скорости, соответствующей температуре газа, а затем - дальнейший прогрев уже полностью прореагировавшей частицы.

В противоточной печи газ охлаждается по мере нагрева материала. Для описания этого процесса была разработана его ячеечная модель, показанная на рис.5, состоящая из двух параллельных цепей, ячейки которых могут обмениваться теплом на каждом переходе.

Рис.5. Ячеечная модель противоточного обжига.

На каждом переходе продолжительностью Д1 происходят три составляющих процесса. Во-первых, теплообмен между газом и материалом, приводящий к изменению их температур. Для газа это

(19)

где жирными символами обозначены векторы-столбцы соответствующих величин в ячейках цепи, а символы .* и ./ означают поэлементное умножение и деление векторов, соответственно, а - вектор параметров конвективного теплообмена, причем его элементы рассчитываются по формуле

где Е - коэффициент порозности сыпучего материала, ¿р - диаметр частиц. Соответственно для материала

Т8С=Т5 + - ТБ) - кСГвО^тг/са/р'™,

(21)

причем

р.ся Е , ag=as—--=а1 аэ.

Во-вторых, изменение концентрации реагирующего компонента сас=са.*(1- к(Т£0)).*р1,Т,).

(22)

(23)

В-третьих, перемещение материала вместе с тепловой энергией и массой прореагировавшего вещества вдоль ячеек цепи в соответствие с переходными матрицами, которые имеют вид

(24)

(25)

где <1=0Д1/ Дх2 и Дх, где Дх - длина ячейки, V - средняя скорость дви-

жения компонента, Б - коэффициент макродиффузии его движения. При постоянных теплоемкостях всех участвующих в процессе компонентов изменения температуры и концентрации, вызванные теплообменом между потоками и их осевым перемещением легко могут быть объединены

Т5м=м$*[Те + аз/Пг- Те) - к(Т£0)чтг.*са.*р"Т!,,+Т$0], саН1= М$*[са'.*(1-к(ТёО)).*рП[Т*,) Д1 +саО],

(26)

(27)

(28)

где Т80, са0 и Tg0 - векторы питания, все элементы которых нули, кроме ячеек, в которые подается материал (первая) и газ (последняя).

Уравнения (26)-(28) являются основными уравнениями модели и полностью описывают одномерный процесс термического разложения твердых частиц в потоке горячего газа, движущегося противотоком. Целью моделирования является нахождение установившихся распределений, по которым можно судить о степени завершения реакции и энергетических затратах на нее. На рис.6 показаны расчетные примеры этих распределений, показывающие важность учета теплового эффекта реакции при прогнозировании режимов работы печи.

Рис 6. Влияние протекания химической реакции на распределение температур и степени завершения реакции при отсутствии (а) и наличии (б) ее теплового эффекта.

В четвертой главе выполнен переход от математической модели к инженерному методу расчета рабочего процесса в шахтной обжиговой печи, для чего экспериментально исследована кинетика обжига известняка и предложены рабочие соотношения для расчета параметров модели.

Кинетика обжига известняка исследовалась на дериватографе марки Q-1500 D стандартными методами при температурах 400, 600, 800,...1400°С. Обработка дериватограмм проводилась в отношении кинетики разложения исходного материала (известняка), используемой в математической модели. Было установлено, что реакция разложения имеет порядок 0,91, а остальные параметры реакции следующие значения: к(1400)=0,025; (3=0,497; То=600 °С. Изменение порядка реакции по сравнению с первым не приводит практически ни к каким изменениям в процедуре расчета, кроме появления соответствующей реальной степени в равенстве (15) и связанных с ним.

Поскольку в реальных обжиговых печах подвод газа осуществляется в несколько ярусов, модель была обобщена на случай распределенного по ячейкам подвода газа, а также в матрице (24) учтено, что при таком подводе газ в ячейках движется с разной скоростью, возрастающей по мере увеличения общего расхода. Распределенный подвод газа приводит к выравниванию температур газа и материала по длине печи и, соответственно, к более раннему началу и равномерному протеканию реакции обжига.

Для расчета коэффициента теплоотдачи от газа к материалу использовалось критериальное уравнение

№=0,123 Ле0,83 (29)

где число Рейнольдса рассчитывается по средней скорости газа в ячейке, так как скорость движения твердого много меньше скорости газа, и скорость обтекания частиц практически равна скорости газа При подаче газа в несколько ярусов скорость газа в различных ячейках различна, что необходимо учитывать при расчете коэффициента теплоотдачи. В этом случае коэффициент теплоотдачи следует записывать как вектор-столбец а, состоящий из значений а для всех ячеек. Все остальные параметры модели легко находятся из одномерной модели расходных характеристик газа и материала. Расчетные выражения для них приведены в диссертации.

При расчете матриц переходных вероятностей целесообразно пренебречь диффузионными компонентами движения материала и газа, так как в условиях реальной печи они являются незначительными. Максимальную продолжительность перехода следует выбирать из соотношения

Д£= Ь/тУ8, (30)

где L - высота рабочей зоны печи, m - выбранное число ячеек модели, У8 -средняя расходная скорость движения газа в сечениях, где проходит полный его расход.

Экспериментальная проверка достоверности метода расчета была выполнена на промышленной обжиговой противоточной печи диаметром 2,5м, высотой рабочей зоны 7м, производительностью по исходному материалу 2,5т/час. В качестве топлива использовался природный газ, подводимый вместе с воздухом специальными горелками, размещенными в пяти ярусах по высоте печи и обеспечивающими равномерное распределение по сечению в каждом ярусе. Достоверность расчета проверялась по распределению температуры газа по длине печи. Температура газа измерялась специальными термопарами, установленными в трубах-держателях и вставляемых в печь через смотровые окна или специальные отверстия. Положения термопар по оси печи соответствовали примерно серединам ячеек, на которые была разбита длина печи для моделирования, и число которых равнялось 7. На рис.7 показано сравнение расчетных и экспериментальных температур в установившемся режиме работы печи.

Несмотря на то, что расчет дает завышенные на 5-8% результаты, точность прогноза можно признать весьма удовлетворительной, поскольку ни один параметр модели не идентифицировался по данным о работе этой печи. Расчет выделяет зоны процесса, соответствующие реальной ситуации (зона нагрева и зона собственно обжига), а также обеспечивает удовлетворительное совпадение с экспериментом. Регулярное завышение температуры по всей длине печи может объясняться тем, что в модели рабочая зона рассматривается как теплоизолированная, то есть не учитываются потери тепла за счет внешнего теплообмена печи с окружающей средой, которые имеют место при реальной ее работе.

Рис.7. К экспериментальной проверке метода расчета через распределение температуры газа.

Разработанный метод расчета рабочего процесса в шахтной обжиговой печи обеспечивает удовлетворительную точность прогноза распределения рабочих характеристик процесса по длине печи и качества готового продукта. Он позволяет также быстро пересчитывать параметры процесса при изменении условий его проведения, то есть строить режимные карты без длительной эмпирической доводки. Метод расчета и его программно-алгоритмическое обеспечение внедрены на ОАО «Ивановский силикатный завод» и других промышленных предприятиях.

Основные результаты диссертации

1. Предложена центрально-симметричная ячеечная модель теплопроводности в одиночной теплоизолированной частице с учетом внешнего теплообмена и внутренних источников тепла, обусловленных протекающей в частице химической реакцией. Выполнены численные эксперименты, позволившие установить влияние параметров процесса на распределение температуры и концентрации в

' частице, а также выявлены условия, когда прогрев частицы можно рассматривать как однородный и не учитывать распределение температуры по ее радиусу.

2. На основе теории цепей Маркова разработана математическая модель противоточного теплообмена сыпучего материала и газа с учетом протекающей в частицах сыпучего материала эндотермической реакции, алгоритм и программа ее численной реализации.

3. Выполнены численные эксперименты и выявлено влияние основных параметров процесса и характеристик реакции на установившиеся распределения температур газа и твердого, а также степени завершения реакции в шахтной обжиговой печи.

4. Экспериментально исследована кинетика обжига известняка и предложены зависимости, описывающие эту кинетику.

5. Разработан метод расчета процесса обжига известняка в шахтной противо-точной обжиговой печи и средства его компьютерной поддержки и выполнена его экспериментальная проверка на промышленной печи.

6. Результаты работы нашли практическое применение на ОАО «Ивановский силикатный завод» и других промышленных предприятиях при разработке режимных карт и проектов модернизации технологии обжига.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих печатных

работах автора

1. Ванюшкин ВА, Волынский В.Ю., Зайцев В.А Математическое моделирование процесса обжига сферических частиц. Сборник трудов Международной научной конференции «Энерго- и ресурсосберегающие процессы и оборудование, экологически безопасные производства». Иваново, 2004, -с. 115.

2. Ванюшкин ВА, Волынский В.Ю., Зайцев ВА., Мизонов В.Е. Состояние вопроса и перспективы математического моделирования термической переработки строительных материалов в шахтных печах (Научное издание). -Иваново: ГОУВПО «ИГХТУ», 2004. - 52 с.

3. Ванюшкин ВА, Волынский В.Ю. Моделирование кинетики прогрева частицы при проходящей в ней эндотермической реакции. Сб. науч. трудов ВУЗов России / Проблемы экономики, финансов и управления производством. 15 вып. / Отв. ред. В А. Зайцев. -Иваново: ГОУВПО «ИГХТУ»,2004. - с.510-513.

4. Ванюшкин ВА, Зайцев ВА, Волынский В.Ю. Моделирование процесса обжига в шахтной печи. Сб. науч. трудов ВУЗов России / Проблемы экономики, финансов и управления производством. 16 вып. / отв. Ред. ВА Зайцев. -Иваново: ГОУВПО «ИГХТУ»,2004. - с. 506-509.

Подписано в печать 19.11.04г. .Усл п.л. 1,17 Уч изд.л. 1,29 Формат 60x84 1/16. Тираж 100экз. Заказ 112 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Ивановский государственный химико-технологический

университет. 153000 г.Иваново, пр-т Ф.Энгельса,7. Отпечатано на полиграфическом оборудовании кафедры экономики и финансов ГОУ ВПО «ИГХТУ»

»235 18

ВВЕДЕНИЕ

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ОБЖИГА, 7 ЕГО МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ И АППАРАТУРНОГО ОФОРМЛЕНИЯ

1.1. Процессы обжига и их аппаратурное оформление

1.1.1 Печи для обжига керамических изделий и вяжущих материа- 8 лов

1.1.2 Печи для обжига известняка

1.2. Математическое моделирование тепловых процессов в оди- 33 ночных сферических частицах

1.3. Математическое моделирование процесса в потоке частиц

2. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ПРО- 45 ЦЕССА ОБЖИГА ОДИНОЧНОЙ СФЕРИЧЕСКОЙ ЧАСТИЦЫ

2.1. Базовая ячеечная модель теплопроводности в сферической 45 частице

2.2. Влияние внутренних источников тепла и теплообмена на 57 внешней границе

2.3. Расчетное исследование процессов в одиночной сферической 61 частице

2.4. Выводы по главе

3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА 71 ОБЖИГА В ПОТОКЕ ЧАСТИЦ

3.1. Процессы в частице при ее однородном прогреве

3.2. Ячеечная модель вертикальной обжиговой печи

3.3. Расчетное исследование процесса в обжиговой печи

3.4. Выводы по главе

4. РАЗРАБОТКА МЕТОДА РАСЧЕТА ОБЖИГА И ЕГО 91 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА

4.1. Исследование кинетики нагрева и разложения в процессе об- 91 жига известняка

4.2. Инженерный метод расчета процесса и его программное 102 обеспечение

4.3. Экспериментальная проверка математической модели и мето- 107 да расчета на промышленной обжиговой печи

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ

Актуальность темы диссертации. Аппараты для термической переработки сыпучих материалов (в частности, обжиговые печи) широко используются в строительной, химической и других отраслях промышленности. При обработке традиционных материалов, по которым накоплен опыт проектирования и эксплуатации, они зарекомендовали себя как аппараты, обеспечивающие достаточно высокую эффективность проводимых в них процессов и высокую 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 моделях однородного прогрева частиц, 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 энергосберегающих мероприятий для действующего оборудования.

В последнее время значительная часть научных исследований в этой области была направлена на углубление описания теплообменных процессов между одиночной частицей дисперсного материала и газом и исследование кинетики реакции термического разложения в ней, и в этом направлении достигнут значительный прогресс. Однако при переходе к описанию процессов в большом коллективе частиц, то есть в реальном аппарате, по-прежнему используются простейшие балансовые модели, представляющие собой весьма приближенный подход, не позволяющий описывать развитие процессов по длине аппарата, разрабатывать мероприятия по управлению ими и оптимизировать их. Естественно, что это существенно снижает универсальность предлагаемых моделей и алгоритмов расчета, которые могут быть использованы в практике инженерного проектирования. Сложившаяся ситуация определила цель настоящей работы, которая выполнялась в рамках ФЦП «Интеграция» (2.1 - AI 18 Математическое моделирование ресурсосберегающих и экологически безопасных технологий) и планом НИР ИГХТУ.

Цель работы состояла в повышении универсальности и достоверности методов расчета и проектирования обжиговых печей для термической переработки сыпучих материалов на основе создания математических моделей, построенных на единых представлениях теплопереноса при наличии химических реакции как внутри одиночной частицы, так и в их ансамбле.

Научная новизна - результатов работы заключается в следующем:

1. Предложена центрально-симметричная ячеечная модель теплопроводности в одиночной частице, позволяющая численно моделировать распределение температуры по радиусу при любых граничных условиях протекания процесса и наличии внутренних источников тепла, вызванных химической реакцией. Выявлены условия, когда прогрев частицы может считаться однородным.

2. Предложено описание реакции термического разложения вещества частицы как реакции первого порядка с постоянной скорости, имеющей пороговое значение по температуре и подчиняющейся закону Аррениуса при более высокой температуре, а также теплового эффекта этой реакции.

3. Разработана ячеечная математическая модель противоточной шахтной обжиговой печи, позволяющая рассчитывать распределение всех параметров обжига по ее длине.

4. Выполнены экспериментальные исследования кинетики обжига известняка и предложено аналитическое описание этой кинетики.

5. Разработано программно-алгоритмическое обеспечение математического моделирования указанных процессов.

Практическая ценность результатов работы состоит в следующем:

1. На основе разработанных моделей предложен инженерный метод расчета процесса термического разложения в шахтной противоточной печи, позволяющий использовать любые модели теплообмена между сыпучим материалом и газом, а также описания кинетики реакции обжига.

2. Выполнена идентификация параметров модели для обжига известняка и на ее основе предложен метод расчета шахтной обжиговой печи.

3. Метод расчета и его программно-алгоритмическое обеспечение, а также конкретные рекомендации по совершенствованию процесса обжига приняты к внедрению на ОАО «Ивановский силикатный завод» и других промышленных предприятиях.

Автор защищает:

1. Разработанную на основе цепей Маркова математическую модель прогрева сферической частицы с учетом протекающей в ней эндотермической реакции.

2. Разработанную на основе цепей Маркова математическую модель термического разложения сыпучего материала в противоточном потоке горячего газа.

3. Результаты экспериментального исследования кинетики обжига известняка.

4. Метод расчета обжига известняка в противоточной обжиговой печи и его программно-алгоритмичекое обеспечение.

Апробация результатов работы. Основные результаты работы были доложены, обсуждены и получили одобрение на Международной научной конференции «Энерго-ресурсосберегающие технологии и оборудование, экологически безопасные производства», Иваново, 2004г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 печатных работы.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, списка использованной литературы и приложений. Объём работы 122 страницы основного текста, включая 50 иллюстраций, 2 таблицы, и 5 приложений. Библиография содержит 119 наименований.

6. Результаты работы нашли практическое применение на ОАО «Ивановский силикатный завод» и других предприятиях при разработке режимных карт и проектов модернизации технологии обжига.

1. Комар А.Г., Баженов Ю.М., Сулименко JI.M. Технология производства строительных материалов. М.: Стройиздат, 1990. —195с.

2. Румянцев Б.М., Журба В.П. Тепловые установки в производстве строительных материалов и изделий: Учеб. Пособие для строит. Вузов по спец. «Пр—во строит, изделий и конструкций». -М.: Высшая школа, 1991. —160с.

3. Онацкий С.П. Производство керамзита. -3—е изд., перераб. и доп. М.: Стройиздат, 1987. — 333с.

4. Нехорошев A.B. Теоретические основы технологии тепловой обработки неорганических строительных материалов. М.: Стройиздат, 1978. 232с.

5. Хавкин JI.M. Технология силикатного кирпича. М.: Стройиздат, 1982. -384с.

6. Симин Г.Ф. Сушка и обжиг керамических стеновых материалов при повышенных скоростях газового потока. М: РОСНИИМС, 1959. - 121с.

7. Мукосов И.Г. Скоростной обжиг кирпича в кольцевых печах. -М.: Государственное издательство литературы по строительным материалам, 1953. —24с.

8. Хохлов В.К., Штеерман В.А. Пути совершенствования обжига клинкера в цементной промышленности. М.: Центральный научно— исследовательский институт информации и технико—экономических исследований промышленности строительных материалов, 1966. -52с.

9. Тихи О. Обжиг керамики / Пер. с чеш. В.П. Поддубного. Под ред. JI.B. Соколовой. -М.: Стройиздат, 1988. -344с.Ю.Ахундов A.A. и др. Обжиг в кипящем слое в производстве строительных материалов. М.: Стройиздат, 1975. - 248с.

10. М. Lorant. "Cement, Lime and Gravel", 41, n.8, 1966.

11. Мухина Т.Г. Производство силикатного кирпича. Уч. пособие. М.: Профтехизд, 1968. - 132с.

12. Классен В.К. Обжиг цементного клинкера. Красноярск: Стройиздат, 1994.- 321с.П.Воробьев В.А. Строительные материалы. Изд. 5—е перераб. М.: Высшая школа, 1973. - 375с.

13. Крамм A.C. Интенсификация обжига извести в шахтных пересыпных печах.- М.: Госстроизд, 1958. 67с.

14. Мороз И.И. Технология фарфоро—фаянсовых изделий, — М.: Стройиздат, 1984.-234с.

15. Кошляк Л.Л. Производство изделий строительной керамики. — М.: Стройиздат, 1990.- 135с.

16. Высокотемпературные процессы химической технологии и перспективы их развития. Л.: Наука, 1980. -206с.

17. Машины и оборудование для производства керамических и силикатных изделий: Каталог—справочник. М.: ЦНИИТЭстроймаш, 1982. -311с.

18. Исламов М.Ш. Печи химической промышленности. 2—е изд. перер. и доп. -Л.: Химия, 1975.-432с.

19. Сушильные аппараты и печи для химических производств. Сб. науч. тр.: Химические машины. Науч. ред. Коровкин E.B. -М.: НИИхиммаш, 1981. -203с.

20. Теплотехнические расчеты печей химической промышленности: Учеб. пособие. Дементьев А.И., Смирнов В.А-М.:МХТИ, 1985. -58с.

21. Левченко П.В. Расчеты печей и сушилок силикатной промышленности. Уч. пособ. -М.:Высшая школа, 1968. -367с.

22. Плановский А.Н., Муштаев В.И., Ульянов В.М. Сушка дисперсных материалов в химической промышленности. — М.: Химия, 1979. — 288с.

23. Наумов М.М. Туннельные печи кирпичной промышленности. — М.: Стройиздат, 1953.

24. Сайбулатов С.Ж. Производство керамического кирпича. — М.: Стройиздат, 1989.-278с.

25. Муштаев В.И. и Ульянов В.М. Сушка дисперсных материалов. — М.: Химия, 1988. —352с.

26. Кабалдин Г.С. Модернизация распылительных и барабанных сушильных установок. — М.: Энергоиздат, 1991. — 112с.

27. Каганович Ю.А. Промышленные установки для сушки в кипящем слое. -Л.: Химия, 1970. — 175с.

28. Лыков A.B., Михайлов Ю.А. Теория переноса энергии и вещества.// АН БССР, — Минск, 1959. 330 с.

29. Лыков A.B. Тепло и массообмен в процессах сушки. Учебное пособие. -М.-Л.: Госэнергоиздат, 1956. - 464 с.

30. Лыков A.B., Михайлов Ю.А. Теория тепло — и массопереноса. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1963. - 535 с.

31. Лыков A.B. Тепло- и массоперенос. -М.-Л.: Госэнергоиздат, 1963. -243 с.

32. Лыков A.B. Теплопроводность нестационарных процессов. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1948. - 231 с.

33. Лыков A.B. Теория теплопроводности. М: Высшая школа, 1967. - 599 с.

34. Лыков A.B. Теоретические основы строительной теплофизики.// АН БССР, Минск, 1961.-519 с.

35. Михайлов Ю.А. Сушка перегретым паром. М: Энергия, 1967. - 140 с.

36. Темкин А.Г. Аналитическая теория нестационарного тепло и массообмена в процессе сушки и обратные задачи аналитической теории сушки. -Минск: Наука и техника, 1964. - 364с.

37. Федосов C.B., Сокольский А.И., Зайцев В.А. Тепловлагоперенос в сферической частице при условии 3—го рода и неравномерном начальном условии. // Изв. вузов: Химия и химическая технология. 1989. т.32, вып. 3. -с. 99—104.

38. Федосов C.B. Процессы термической обработки дисперсных материалов с фазовыми и химическими превращениями. Диссертация на соискание учёной степени д. т. н. - Л., ЛТИ им. Ленсовета, 1987.

39. Федосов C.B., Кисельноков В.Н., Шертаев Т.У. Применение методов теории теплопроводности для моделирования процессов конвективной сушки. — Алма—Ата: Гылым, 1992. -167с.

40. Зайцев В.А. Процессы термической обработки сыпучих и листовых материалов в аппаратах интенсивного действия. — Диссертация на соискание учёной степени д. т. н. -Иваново: ИГ АС А, 1996. 387с.

41. Лыков A.B. Тепломассообмен. Справочник. М.: Энергия, 1972. - 560 с.

42. Лыков A.B. Тепломассообмен. Справочник. М.: Энергия, 1978. - 480 с.51 .Карташов Э.М., Любов Б.Я. Метод решения обобщенных тепловых задач в области с границей движущейся по параболическому закону. // Журнал техническая физика, 1971, т.61, №1. —с.З—16.

43. Карташов Э.М. Метод интегральных преобразований а аналитической теории теплопроводности твёрдых тел. — Изв. АН РФ. М.: Энергетика. 1993, -№2, -С. 99-127.

44. Карташов Э.М. Расчёты температурных полей в твёрдых телах на основе улучшенной сходимости рядов Фурье Ханкеля. - Изв. АН РФ. - М.: Энергетика, 1993.-№3,-С. 106-125.

45. Карташов Э.М. Аналитические методы в теплопроводности твердых тел. М.: Высшая школа, 1985. -480с.

46. Карташов Э.М. Аналитические методы смешанных граничных задач теории теплопроводности. Обзор// Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт, 1986. №6.— С. 116—129.

47. Беляев Н.М., Рядно A.A. Методы теории теплопроводности. -М.: Высшая школа, 1982. в 2—х частях.

48. Цой П.В. Методы расчета отдельных задач тепломассопереноса. -М.: Энергия, 1971.-407с.

49. Ладыженская O.A. Краевые задачи математической физики. М.: Наука, 1973. —407с.

50. Горшков B.C. Термография строительных материалов. М.: Стройиздат, 1968.-238с.

51. Бабенко Ю.И. Тепломассообмен: Метод расчета тепловых и диффузионных потоков. Л.: Химия, 1986. -144с.

52. Фролов В.П. Моделирование сушки дисперсных материалов. Л.: Химия, 1987.-208с.

53. Зайцев В.А., Федосов C.B. О методе «микропроцессов» и «псевдоисточников» при моделировании тепломассопереноса в процессах сушки. Мат. 2 межд. Науч. Конф. «Теоретические и эксперимантальные основы создания нового оборудования». Краков, 1995. -с.275—282.

54. Бахвалов Н.С. Численные методы. М.: Высшая школа, 1973. -632с.

55. Никитенко Н.И. Исследование процессов теплообмена методом сеток. -Киев, 1978.

56. Зуева Г.А. Моделирование совмещенных процессов термообработки гетерогенных систем, интенсифицированных комбинированным подводом энергии. Диссертация на соискание учёной степени д. ф.—м. н., —Иваново: ИГХТУ, 2002. 300с.

57. Феллер В. Введение в теорию вероятностей и ее приложения. В 2—х томах. Т.1: М.: Мир, 1984.-528с.

58. Феллер В. Введение в теорию вероятностей и ее приложения. В 2—х томах. Т.2. —М.: Мир, 1984. -738с.

59. Тихонов В.И. и Миронов М.А. Марковские процессы. —М.: Советское радио, 1977. —488с.

60. Анисимов В.В. Случайные процессы с дискретной компонентой. -М.: Наука, 1988. -183с.

61. Венцель Е.С. и Овчаров JI.A. Теория вероятностей и ее инженерные приложения. -М.: Наука, 1988. -664с.

62. Венцель Е.С. и Овчаров JI.A. Прикладные задачи теории вероятностей. -М.: Радио и связь, 1983. -416с.

63. Гихман И.И. и Скороходов А.В. Теория случайных процессов. T.l. -М.: Энергия, 1969 -95с.

64. Андреев В.Н. и Иоффе А.Я. Эти замечательные цепи. -М.: Знание, 1987. -191с.

65. Михайлов Н.М. и Мамрукова Л.А. Теплообмен между газом и струей частиц, падающих с лопаток барабанной сушилки // Химическое и нефтянное машиностроение. 1966, №1. —с.29—31.

66. Романков П.Г. и Фролов В.Ф. Массотеплообмен реагирующих частиц с потоком. -М.: Наука, 1985. —336с.

67. Падохин В.А. Стохастическое моделирование диспергирования и механоактивации гетерогенных систем. Описание и расчет совмещенных процессов. Диссертация на соискание учёной степени д. ф.—м. н., — Иваново: ИГАСА, 2000. -388с.

68. Орлов В.П., Пеньков Н.В. и Шишко И.И. Стохастическая модель грануляции частиц в псевдоожиженном слое. // Тез. докл. всесоюз. научн.— техн. совещания: «Термия—75». Секция высокотемпературных процессов в псевдоожиженном слое. —JL ,1975. —с.30—33.

69. Tamir A. Applications of Markov chains in Chemical Engineering. Elsevier publishers, Amsterdam, 1998, -604 p.

70. Mizonov V., Berthiaux H., Marikh K., Zhukov V. Application of the Theory of Markovian Chains to Processes Analysis and Simulation. Ecole des Mines d'Albi, 2000, -61p.

71. Mizonov V., Berthiaux H., Zhukov V. Application of the Theory of Markov Chains to Simulation and Analysis of Processes with Granular Materials. Ecole des Mines d'Albi, 2002, -64p.

72. Марик К., Баранцева E.A., Мизонов В.Е., Бертье А. Математическая модель процесса непрерывного смешения сыпучих материалов. Изв. Вузов: Химия и хим. технология, т.44, вып.2, 2001, -с. 121—123.

73. Marikh К., Mizonov V., Berthiaux H., Barantseva E., Zhukov V. Algorithme de construction de modeles markoviens multidimensinnels pour le melagne des poudres. Récents Progrès en Génie des Procédés. V15(2001)No.82. -pp.41—48.

74. V. E. Mizonov, H Brthiaux, V. P. Zhukov, S. Bernotat. Application of Multi— Dimensional Markov Chains to Model kinetics of Grinding with Internal Classification. Proc. of the 10—th symposium on Comminution Heidelberg 2002 -14 p. (on CD).

75. M. Aoun—Habbache, M. Aoun, H. Berthiaux, V. E. Mizonov. An experimental method and a Markov chain model to describe axial and radial mixing in a hoop mixer. Powder Technology, 2002, vol. 128 / 2—3, -pp. 159—167.

76. Пономарев Д.А., Мизонов B.E., Berthiaux H., Баранцева E.A. Нелинейная математическая модель транспорта сыпучего материала в лопастном смесителе. Изв. вузов: Химия и хим. технология, т.46, вып.5, 2003, -с. 157— 159.

77. Marikh К., Berthiaux H., Mizonov V. Residence Time Distribution Experiments and Modeling in a Continuous Mixer. Program of the 4—th European Congress of Chemical Engineering "A Tool for Progress". Granada, Spain, Sept.21— 25,2003.

78. Zhukov V.P., Mizonov V.E., Otwinowski H. Modelling of Classification Process. Powder Handling and Processing, vol.l5, No 3, May/June 2003, -pp.184—188.

79. Огурцов А.В. Жуков В.П. Мизонов В.Е. Овчинников JT.H. Моделирование истирания частиц в кипящем слое на основе теории цепей Маркова. Изв. вузов: Химия и химическая технология, 2003, т.46, вып. 7, -с.64—66.

80. Жуков В.П., Мизонов В.Е., Berthiaux Н., Otwiniwski Н., Urbaniak D., Zbronski D. Математическая модель гравитационной классификации на основе теории цепей Маркова. Изв. вузов: Химия и химическая технология, 2004, т.47, вып. 1, -с. 125—127.

81. Mizonov V.E., Berthiaux Н., Zhukov V.P., Bernotat S. Application of multi— dimensional Markov chains to model kinetics of grinding with internal classification. International Journal of Mineral Processing, 2004 (4).

82. Тальянов Ю.Е. Моделирование процесса конвективной сушки при переменной начальной влажности материала. // Сб. тезисов международной научно—практической конференции: Актуальные проблемы развития экономики. — Иваново: ГОУВПО «ИГХТУ», 2003. с. 145—147.

83. Тальянов Ю.Е., Волынский В.Ю. Состояние вопроса и перспективы математического моделирования термической обработки строительных дисперсных материалов в барабанных аппаратах. Научное издание. — Иваново: ГОУВПО «ИГХТУ», 2003. — 16 с.

84. В.А. Ванюшкин, В.А. Зайцев, В.Е. Мизонов, В.Ю. Волынский. Состояние вопроса и перспективы математического моделирования термической переработки строительных материалов в шахтных печах. Научное издание. — Иваново: ГОУВПО «ИГХТУ», 2004. — 52 с.

85. Тепловые процессы и технологии силикатных материалов: Учебник для вузов / И.А. Булавин, И.А. Макаров, А.Я. Рапопорт, В.К. Хохлов. -М.: Стройиздат, 1982.-249с.

86. Ралко A.B., Крупа A.A., Племянников H.H., Алексеенко Н.В., Зинько Ю.Д. Тепловые процессы в технологии силикатов. Киев: Высшая школа. Головное изд-во, 1986. - 232с.

87. Технология строительных производств. / Под. ред. H.H. Данилова. -М.: Стройиздат, 1977. -440с.

88. Тепловые расчеты печей и сушилок промышленности / Под. Ред. Д.Б. Гинзбурга и В.Н. Зимина. Изд. 2-е перер. И доп. -М.: Стройиздат, 1964. -496с.

89. Технология силикатных и тугоплавких неметаллических материалов. / Науч. ред. Г.В. Геращенко. Т.1 . -М.: ВИНИТИ, 1988. -133с.

90. Технология силикатных и тугоплавких неметаллических материалов. / Науч. ред. П.Д. Саркисов и М.Д. Ходаковский. Т.2 . -М.: ВИНИТИ, 1989. -175с.

91. Ильин А.П. и др. Химия твердого тела: Сб. лаб. работ. Иваново: ИГХТУ, 2002. - 198с.

92. Шестак Я. Теория термического анализа. -М.: Мир, 1987. -456с.

93. Берг Л.Г. Введение в термографию. -М.: Наука, 1969. -395с.

94. Браун М., Доллимор Д., Галвей А. Реакция твердых тел: Пер. с англ. -М.: Мир, 1983.-360с.

95. Фиалко М.Б. Неизотермическая кинетика в термическом анализе. -Томск: Изд-во Томск, ун-та, 1980. -106с.

96. Кузнецова Т.В., Кудряшов И.В., Тимашев В.В. Физическая химия вяжущих материалов. М.: Высшая школа, 1989. -384с.

97. Тальянов Ю.Е. Тепломассоперенос в барабанных аппаратах для термической обработки дисперсных строительных материалов. Диссертация на соискание учёной степени канд. техн. наук., -Иваново: ИГ АСА, 2004. -99с.

98. Касаткин Л.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. М.: Химия, 1973. - 752с.