автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Оптимизация системы аппаратов механического обезвоживания и сушки

РГВ Ой

На правах рукописи

ГЕРКЕ ЛАРИСА НИКОЛАЕВНА

ОПТИМИЗАЦИЯ СИСТЕМЫ АППАРАТОВ МЕХАНИЧЕСКОГО ОБЕЗВОЖИВАНИЯ И СУШКИ

05.17.08 - процессы и аппараты химической технологии

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Казань 1997

Работа выполнена в Казанском Государственном Технологическом Университете

Научный руководитель -

Официальные оппоненты -

Ведущая организация -

доктор технических наук, профессор Голубев Л.Г.

доктор технических наук, профессор Теляков Э.Ш.

кандидат технических наук, зав. отд. ЦНИ ГеолНеруд Гонюх В.М.

АО "Казанский институт фотоматериалов"

Защита состоится " бР^сф-^Л^)^ 1997г., в

_______часов на заседании диссертационного совета

Д 063.37.02 в Казанском Государственном Технологическом Университете по адресу: 420015 г. Казань, ул. К. Макса, 68, зал заседаний Ученого совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казанского Государственного Технологического Университета

Автореферат разослан

1997г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук

Лаптев А.Г.

АННОТАЦИЯ

В диссертационной работе изложена методика оптимального расчета комплекса оборудования удаления из суспензий и высоковлажных дисперсных материалов свободной и связанной влаги, а также результаты теоретических и экспериментальных исследований процессов механического обезвоживания и сушки шлама гальванических производств на стадии выделения целевого продукта.

С целью выбора наиболее рациональной аппаратурной схемы организации процесса сформировано четыре альтернативных варианта гипотетических технологических схем ( ГТС ) обезвоживания продукта, которые подвергнуты исследованию экономики - математическими методами. Для этого привлечены результаты экономико - м ате мат и ч ее ко г о моделирования процессов, экспериментальных исследований, протекающих в аппаратах ГТС, методики их расчета. В результате выбрана наиболее рациональная схема аппаратурного оформления процессов механического и теплового удаления влаги из шлама гальванических производств, оптимизированы технологические параметры аппаратов этого комплекса.

Проведены экспериментальные исследования основных характеристик шлама, необходимых для расчета. Разработана математическая модель сушки в шнековом аппарате. Научные и практические результаты работы использованы Зеленодольским производственным объединением "Завод им. Серго" при реализации предлагаемой технологической схемы обезвоживания продукта. Автор защищает: - методику выбора гипотетической технологической схемы, а также сам выбор аппаратов;

результаты экономико - математического моделирования, методику оптимального расчета системы аппаратов обезвоживания;

- результаты математического моделирования процесса сушки в шнековом аппарате;

- результаты экспериментальных исследований процесса обезвоживания шлама и его основных характеристик;

- методику расчета исследуемого процесса механического обезвоживания и сушки.

ОБШАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Используемая в настоящее время технология обезвоживания шлама на стадии выделения целевого продукта предполагает удаление из него влаги в энергоемких сушильных аппаратах. В то же время в современных экономических условиях при конверсионных затратах предприятие не способно выделять средства на реконструкцию. Поэтому из оборудования, имеющегося на заводе, необходимо создать высокоэффективный комплекс аппаратов механического и теплового удаления из суспензий и высоковлажных дисперсных материалов свободной и связанной влаги, обладающий оптимальными в некотором смысле технологическими параметрами и позволяющий изготовлять продукцию номинального качества при наименьшей ее себестоимости.

Решение задач в области техники обезвоживания должно базироваться на научных основах и в качестве необходимого этапа включать в себя оптимизацию. На первый план выходят вопросы соотношения экономичности и эффективности производства, то есть выбора оптимальных решений организации производства, позволяющих максимально сэкономить'энергетические и сырьевые ресурсы при возможно минимальных временных затратах и повышении производительности труда.

Важными являются вопросы экологии ( утилизации материала ) . Необходимо, чтобы шлам, обезвоженный по предлагаемой технологической схеме, был пригоден к дальнейшей переработке ( в производстве линолеума,

кирпича, красок, асфальта и т. д. ). . .

Работа выполнялась в соответствии с Координационным планом НИР Академии наук РФ на 1991 - 95 и 1996 - 2000 гг. по направлению "Теоретические основы химической технологии", пункт 2.27.2.8 по проблеме "Разработка и исследование аппаратов для сушки. Оптимизация и управление процессом сушки, создание методов расчета сушильных аппаратов, работающих в интенсивных гидродинамических режимах."

Цель работы - анализ современного состояния аппаратурного оформления процессов обезвоживания суспензий и высоковлажных дисперсных материалов;

- разработка методики экономике - математического исследования систем аппаратов механического обезвоживания и сушки;

- разработка математической модели процесса сушки в шнековом аппарате;

- экспериментальное исследование материала с целью получения априорной информации для проведения экономико - математического анализа;

- проведение расчета системы аппаратов механического обезвоживания и сушки шлама: выбор рациональной схемы аппаратурного оформления процесса механического обезвоживания и сушки и оптимизация параметров процесса.

Научная новизна:

- произведено экономико - математическое исследование систем аппаратов механического обезвоживания и сушки, разработана методика их оптимального расчета, позволяющая выбрать наиболее рациональную схему организации процесса обезвоживания и выявить оптимальные режимные параметры аппаратов, входящих в данную технологическую схему;

- разработана математическая модель процесса сушки в шнековом аппарате.

В руководстве работой принимал участие к.т.н. с.н.с. Мухтаров Я. С.

Практическая___ценность и реализация работы.

Разработанная и внедренная методика, оптимального расчета комплекса аппаратов обезвоживания суспензий и высоковлажных дисперсных материалов применима для расчета системы аппаратов, используемых в химической и смежных с ней отраслях промышленности.

Результаты проведенных теоретических и экспериментальных исследований легли в основу расчета системы аппаратов механического обезвоживания и сушки, реализованного на ПО "Завод им. Серго" г. Зеленодольска. Суммарный годовой экономический эффект от внедрения разработок составит 482 млн. руб. Состав комплекса аппаратов, выявленный в результате расчета и принятый ко внедрению, позволяет существенно интенсифицировать процесс обезвоживания шлама, повысить

производительность труда, качество шлама, выражающееся в снижении влажности конечного продукта, сократить энергозатраты, снизить себестоимость единицы продукции, освободив при этом значительные производственные площади.

Апробация работы. Основные научные положения и результаты работы докладывались на Всесоюзной научно -технической конференции "Современные машины и аппараты химических производств - Химтехника - 88", 1988 г., г. Чимкент; на Всесоюзной конференции " Интенсификация тепло- и массообменных процессов в химической технологии", 1988 г., г. Казань; на научно - технических конференциях Казанского Государственного

Технологического Университета в 1986 - 88 гг., 1994 - 96 гг., г. Казань; на Ш-м Минском Международном Форуме по тепло- и массообмену, 1996 г., г. Минск.

Публикации. По теме диссертации опубликованы шесть работ.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемой литературы и приложения. Общий объем - 140 страниц, из

них 109 страниц основного текста, 19 рисунков и 12 таблиц. Список литературных источников содержит 128 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. Обосновывается актуальность темы, цель и задачи исследований. Показаны новизна и практическая ценность работы.

В первой главе дан обзор современного оборудования, обезвоживания суспензий и высоковлажных дисперсных материалов, рассмотрены существующие конструкции аппаратов удаления из них жидкой фазы. Проведенный анализ показал низкую эффективность сушильного оборудования ввиду необходимости испарения значительных масс свободной влаги.

Рассмотрены вопросы оптимизации совмещенных процессов механического обезвоживания и сушки. Проведен анализ состояния аппаратурного оформления процесса обезвоживания шлама на ПО "Завод им. Серго" г. Зеленодольска.

В заключительной части первой главы сформулированы задачи исследований.

Во второй главе произведен синтез альтернативных гипотетических технологических схем ( ГТС ) процессов обезвоживания, состоящих из аппарата механического обезвоживания ( барабанный вакуум - фильтр - БВФ ), аппаратов предварительной сушки - ПС и окончательной сушки - АД ( аппарат досушки ).

Сформированы четыре альтернативные ГТС процесса механического обезвоживания и сушки:

1. БВФ и* -> ПС

и0 и*

2. БВФ ПС

АД

«к

БВФ и* АД

J.

и. и*

4. БВФ АД

и**

ПС

Произведен выбор критерия оптимальности с представлением его в виде функциональной зависимости.

В качестве критерия эффективности принята величина удельных приведенных затрат:

R=C + En-| -->min (1)

Формула является достаточно простой для представления в виде целевой функции и в то же время охватывает все необходимые характеристики производства.

Чтобы привести целевую функцию к развернутому виду, уравнение (1) представим как:

R = min R. (С, К, В) (2)

i= 1,п

Для каждого аппарата ГТС формула (2) принимает вид: R = min R( (К, G, Тэф, Еэл) (3)

или, иначе, формула целевой функции:

256 v V ^

2-, К + 1а Э min

R =

GT„

где

2к = к, + к1К + к

АД

(4)

(5)

(6)

Произведен экономико - математический анализ функционирования системы механического обезвоживания и сушки.

Решаемая оптимальная задача представляется как задача определения оптимальных переходных влажностей Uo*t и

opt

В главе выбран способ решения задачи оптимизации. Он производится по следующим циклам подоптимизации.

1. Для случая, когда система состоит из БВФ, аппаратов ПС и АД:

а) 11ф -» min

б) R^. -> min

в) Rs = К + Кс rain

г) Кад -> min

2. Для случая, когла система состоит из БВФ и аппарата

ПС:

а) R -» min

б) -» min

АД:

в) = К + ^с min

3. Для случая, когда система состоит из БВФ и аппарата

а) Яф -» min

б) R^ min

в) = R0 + RM min

4. Для случая, когда система состоит из БВФ, аппаратов АД и ПС:

а) R,^ -> min

б) R -> min

в) Kz = Яф + R^ -> min

г) Rnc -> min

Реализация данной методики возможна для оптимизации выбора системы обезвоживания при наличии следующих ресурсов оптимизации:

- номенклатуры материалов с разными характеристиками

- альтернативного наличия аппаратов механического обезвоживания и сушки.

Решение основывается на сведениях о материалах как объектов исследования и инженерных методик расчета аппаратов обезвоживания.

В результате расчетов получаем следующие данные, дающие минимальную себестоимость продукта:

1. Схему процесса обезвоживания и сушки;

2. Оптимальный набор конкретных аппаратов;

3. Оптимальные режимные параметры аппаратов.

В современных условиях данное решение можно расценивать, с одной стороны, как реальное, с другой - как гипотетическое. Поэтому была предпринята попытка реализовать его для частного случая создания системы обезвоживания шлама (отходов гальванических производств) на ПО "Завод им. Серго" (ПОЗИС).

Ввиду неблагоприятного финансово- экономического состояния завод не имеет возможностей закупать и изготавливать оптимизационное оборудование, поэтому нам предложен набор имеющегося на заводе оборудования - БВФ, шнековая сушилка и поставлена задача транспортировки шлама в отделение переработки.

Поэтому решение ограничено определением оптимальных переходных влажностей и оптимальных режимных параметров.

Определены энергозатраты на процессы механического обезвоживания в БВФ:

V ш^^^^У^(7)

в шнековом аппарате:

Э = Я + г (8)

где

К

тчГ г Г/ V ^

I * ^гтжг

и в пневмотрубе:

о г „л-/л

ь'пт

ЯТ

ПТ ¿^

где

¿а,- " Ч^с'У ЪЩ)

В третьей главе дано описание экспериментальных установок, на которых исследовались характеристики шлама гальванических производств, необходимые для проведения экономико - математического анализа рассматриваемых процессов ГТС. В частности, определены гранулометрический состав шлама, коэффициент теплоотдачи, удельная теплоемкость материала, удельное сопротивление осадка. Также даны результаты экспериментальных исследований, проведен анализ кинетики процессов обезвоживания шлама.

Изложена методика расчета и разработана математическая модель сушки в шнековом аппарате ШС, позволяющая определить:

( - у и ~

\-ТОО-Но 10О-Икр) ' 'с (Ю)

-СГ 1 с7

продолжительность сушки для I периода;

Ь-Ь-Ъст-Рег

Рис. 1 Усовершенствованная технологическая схема процесса обезвоживания

% - Ур

I т^-гл,

тт '

- продолжительность сушки для II периода.

Формула целевой функции имеет вид:

Составлена структурная схема алгоритма расчета процесса обезвоживания. В качестве метода поиска минимума целевой функции применен модифицированный метод вероятностной оценки Монге - Карло, заключающийся в нормальном распределении в массиве II точек поиска, благодаря чему возможна разработка некоторого алгоритма поиска, позволяющего после нахождения в первом цикле точки, условно близкой к оптимуму, вновь условно нормально распределять ее окрестности на диапазоне [ 0; 1 ] и продолжать оптимальный поиск до нахождения оптимума с заданной точностью С.

Расчет реализован на персональном компьютере РС 486.

Выбор оптимальной системы производится путем сравнивания суммарного К Е -> гшп для всех вариантов компоновки комплекса.

В четвертой главе представлены результаты реализации разработок, дана оценка их экономической эффективности.

В результате расчета было установлено, что оптимальной является система, содержащая БВФ в качестве аппарата механического обезвоживания, ШС - в качестве аппарата ПС, ПТ - в качестве АД.

На основании расчета сформирована

усовершенствованная технологическая схема, представленная на рис. 1.

Для проверки работоспособности созданной технологической схемы и сравнения эффективности предшествующей и усовершенствованной схем проведены исследования на ПО "Завод им. Серго" г. Зеленодольска.

Анализ результатов исследований показывает, что реализация рекомендаций по усовершенствованию технологической схемы позволяет проводить процесс обезвоживания при более оптимальных режимных параметрах. Сопоставление графиков кинетики процессов обезвоживания по предшествующей и усовершенствованной технологическим схемам, представленных на рис. 2,

Рис. 2 Сравнительная кинетика процессов обезвоживания:

1 - аналоговая технологическая схема

2 - усовершенствованная технологическая схема

свидетельствует о целесообразности использования этого комплекса аппаратов в усовершенствованной технологической схеме.

Технико - экономические показатели предшествующей и усовершенствованной технологических схем приведены в таблице.

Таблица ТЭП

Показатель ед. Технология

аналог усоверш.

1 Производит-ть кг ч 280 450

2 Себестоимость ед.продукции руб кг 192 84

3 Площадь производств. помещений м2 34 23

4 Установленная мощность КВТ 150 180

5 Критерий оптим-ти ^ руб кг — 58,7

6 Ожидаемый эконом.эффект от внедрения млн руб ГОД — 482

7 Срок окупаемости ГОД — 2

Анализ представленных данных показывает, что при внедрении усовершенствованной технологической схемы производительность увеличивается в 1,6 раза при снижении себестоимости единицы продукции в 2,4 раза, уменьшении площади производственных помещений в 1,9 раза. Можно отметить также улучшение качества конечного продукта, выражающееся в снижении его влажности, а также уменьшение количество обслуживающего персонала.

Данные результаты позволяют сделать вывод о большей эффективности использования усовершенствованной

технологической схемы по сравнению с аналогом.

Предлагаемая технологическая схема принята ко внедрению на ПО "Завод им. Серго" г. Зеленодольска. Внедрена методика расчета комплекса аппаратов обезвоживания шлама.

Результаты работы могут быть использованы при разработке и проектировании оптимального комплекса аппаратов обезвоживания суспензий и высоковлажных дисперсных материалов, реализующего принцип двух - трех -стадийной обработке материала.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Для высокоэффективного удаления влаги из шлама гальванических производств на стадии выделения целевого продукта предложено применение комплекса оборудования, позволяющего проводить механическое обезвоживание материалов с последующей предварительной сушкой и досушкой продукта.

2. С целью выбора наиболее рациональной аппаратурной схемы организации процесса обезвоживания сформированы четыре конкурирующие гипотетические технологические схемы.

3. Разработан метод экономико - математического исследования сформированных систем обезвоживания материала, включающий в себя выбор критерия оптимальности и способ решения задачи оптимального расчета комплекса аппаратов.

4. Экспериментально определены характеристики материала (шлама), необходимые для проведения расчетов.

5. Разработана математическая модель процесса сушки в шнековом аппарате.

6. В результате расчета четырех вариантов альтернативных ГТС установлено, что рациональной из них является технологическая схема: "БВФ - ШС - ПТ", при этом

получены оптимальные режимные характеристики элементов комплекса.

7. Предлагаемая технологическая схема обезвоживания продукта принята ко внедрению на ПО "Завод им. Серго" г. Зеленодольска. Ожидаемый экономический эффект от внедрения этой схемы составит482 млн. руб/год (в ценах 1997г).

8. Внедрена оптимизированная методика расчета комплекса аппаратов обезвоживания шлама. Разработанная методика обезвоживания суспензий и высоковлажных дисперсных материалов может быть применена при разработке комплекса аппаратов, используемых в других отраслях химической промышленности.

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

С - себестоимость единицы продукции, руб/т; К - обьем капитальных затрат на производство, руб/год; В - годовая производительность, т/год; Ен - нормативный коэффициент окупаемости капитальных затрат, Угод; 110 , 11к - начальная и конечная влажности материала, %; и*, и** - переходные влажности, %; О, ОСЕК - производительность и секундная производительность аппарата (установки, системы), кг/с; ТЭф - эффективный годовой фонд рабочего времени, час/год; кф, кпс, к^ - капитальные затраты на создание БВФ, аппарата ПС и АД соответственно, руб/год; Эф, Эпс, Элд - энергозатраты в БВФ, аппарате ПС и АД, руб/кг; V - объемный расход воздуха, м3/с; Ар - перепад давления, Па; а - стоимость 1 кВт/ч электроэнергии, руб/кВт; Т] - общее к.п.д. насосной установки; (0 - скорость вращения барабана, 1/с; ^ - радиус ротора барабана, м; с^ - удельная теплоемкость теплоносителя, Дж/кгтрад; А1 = 1вх - 1вых - разность температур теплоносителя на входе и выходе из сушилки, °С; с - удельная

тт / д + <-шх

теплоемкость материала, Дж/кгтрад; А1М = С м -1м - разность температур материала на выходе и входе в сушилку, °С; АР -сопротивление слоя материала, Н/м2; р - плотность газа, кг/

м3; г - удельная теплота парообразования жидкости, Дж/кг; а -коэффициент теплоотдачи, Вт/м2-К; М(, - масса сухого материала, кг; к - коэффициент теплопередачи, Вт/м2-град; С - эмпирический коэффициент; L - длина шнека, м; FCT - поверхность стенки, соприкасающаяся с продуктом, м2; NKP - критическая скорость сушки материала, 1/с;х - относительный коэффициент сушки по влаге; AtCT = tcr - Т - разность температур греющей стенки и материала, °С; п - число рассматриваемых вариантов комбинаций режимных параметров элементов системы.

ИНДЕКСЫ

кр - критическое значение; вх, вых - входное и выходное значения; г - газ; с - сухой материал; м - материал; сек -секундная.

Основное содержание работы изложено в следующих публикациях:

1. Голубев Л.Г., Мухтаров Я.С., Герке Л.Н., Сафин Р.Г. Выбор оптимального состава аппаратов и режимов при удалении влаги из высоковлажных материалов и суспензий// Тепломассообмен - ММФ96. Тепломассообмен в процессах сушки, т. 6 - Минск: АПК "ИТМО им. А.В.Лыкова" АНБ, 1996. - с. 137.

2. Голубев Л.Г., Мухтаров Я.С., Герке Л.Н., Наумова А.Л. Выбор оптимального состава аппаратов и режимов их функционирования при удалении влаги из шламовых отходов производства.- Казань, 1997. - 16 с. - Деп. в ВИНИТИ № 459-В91 от 29.04.97.

3. Голубев Л.Г., Мухтаров Я.С., Герке Л.Н. Оптимизация процессов обезвоживания и сушки высоковлажных материалов// Тезисы докл. сб. трудов школы молодых ученых при ММХ - 10. - Тула, 1996. - с. 145.

4. Голубев Л.Г., Герке Л.Н. Оптимизация процесса обезвоживания каучуковой крошки// Тез. докл. Республ. начн. - техн. конф.: Разработка прогрессивных способов сушки

различных материалов. - Нижнекамск, 1996. - с. 157.

5. Голубев Л.Г., Пискарева Л.Н.(Герке Л.Н.), Мухтаров

микробиологического синтеза на центрифуге с регенерируемой поверхностью фильтрования// Тез. докл. Всесоюз. начн. - техн. конф.: Современные машины и аппараты химических производств. Химтехника - 4. -Чимкент, 1987. - с. 54.

6. Голубев Л.Г., Мухтаров Я.С., Пискарева Л.Н.(Герке Л.Н.), Еникеев Ш.Г. Концентрирование, гранулирование и сушка продуктов МБС// Тез. докл. Республ. начн. - техн. конф.: Интенсификация тепло- и массообменных процессов в химической технологии. - Казань, 1987. - с. 53.

Соискатель Герке Л.Н.

Я.С., Еникеев Ш.Г.

Разделение суспензий

Заказ 119

Офсетная лаборатория КГТУ 420015, Казань, К.Маркса, 68.

Тираж 80 экз.