автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Прогнозирование характеристик классификации на основе принципа максимума информационной энтропии

Список условных обозначений

Введение

1. Анализ подходов к моделированию процесса классификации

1.1. Детерминированное описание процесса классификации

1.2. Стохастическое моделирование разделения материала по крупности

1.3. Энтропийные методы моделирования процессов в химической 28 технологии

1.4. Анализ конструкций гравитационных классификаторов

1.5. Постановка задачи исследования

2. Использование принципа максимума информационной энтропии для 39 описания движения ансамбля частиц

2.1. Моделирование распределения частиц по скоростям в газовом потоке

2.2. Моделирование распределения частиц по скоростям и положению в газовом потоке

2.3. Моделирование процесса многопродуктового разделения в рамках 52 транспортной задачи. Энергетические законы классификации

2.4. Выводы по главе

3. Экспериментальное исследование аэродинамической классификации

3.1. Определение распределения частиц по скоростям в газовом потоке

3.2. Исследование влияния концентрации материала на граничный 73 размер разделения

3.3. Выводы по главе

4. Практическое использование результатов работы и метод расчета 82 4.1 .Метод расчета классификатора 82 4.1.1 .Влияние концентрации твердой фазы на граничный размер

разделения аэродинамического классификатора

4.1.2. Метод расчета гравитационного классификатора

4.2. Практическое использование результатов работы

4.3. Выводы по главе

5. Основные работы

Список используемой литературы

Актуальность темы. Процессы классификации являются важными, а зачастую и определяющими при переработке сыпучих материалов в химической и смежных отраслях промышленности. Именно они обеспечивают формирование фракционного состава готового сыпучего материала или полуфабриката, во многом определяющего их потребительские качества. Характерными тенденциями развития современных технологий является переход ко все более тонким фракциям, расширение спектра требований к фракционному составу, а также переход к многопродуктовой классификации с различным целевым использованием разных фракций. Удовлетворение этим требованиям уже не может быть достигнуто выбором типа и типоразмера существующего классификатора с последующей его наладкой: для специфических условий необходимо проектирование новых аппаратов, хотя бы и известного принципа действия. Естественно, что при этом возрастает роль математических моделей, закладываемых в основу проектирования, которые должны достоверно прогнозировать характеристики оборудования без привлечения дополнительных экспериментальных данных или с минимальной ориентацией на них.

Подавляющие большинство современных моделей классификации было создано в линейной постановке задачи, когда считалось, что характеристики классификатора (главным образом - кривая разделения) не зависят от концентрации материала и его фракционного состава. Это приводило к существенным ошибкам прогнозирования, для коррекции которых требовалось привлечение обширного экспериментального материала, практически покрывающего весь прогнозируемый моделью диапазон параметров процесса.

Дальнейшее использование математических моделей, удовлетворяющих современным требованиям эффективного и надежного проектирования классификационного оборудования, возможно только при переходе к моделям, построенным на более глубокой, чем ранее, фундаментальной основе и имеющим нелинейный характер.

Решению этой задачи и посвящена настоящая работа, которая выполнялась в рамках программ «ТОХТ и новые принципы управления химико-технологическими процессами» и «Интеграция» РАН, а также договоров о научно-техническом сотрудничестве с Горным институтом г. Алби, Франция и Ченстоховским политехническим институтом, г. Ченстохова, Польша.

Целью работы является создание новых достоверных методов расчета двух -и многопродуктовой классификации, основанных на математических моделях кинетики ансамбля частиц в газодисперсном потоке и фундаментальных оптимизационных принципах.

Научная новизна результатов работы заключается в следующем:

1. Выдвинута гипотеза о решающем влиянии на кривую разделения распределения скоростей частиц в газовом потоке и получена расчетная зависимость для этого распределения, подтвержденная экспериментально.

2. На основе полученного распределения скоростей частиц в газовом потоке построена нелинейная математическая модель гравитационной классификации, учитывающая влияние на кривую разделения концентрации и фракционного состава разделяемых частиц.

3. Построена математическая модель многопродуктовой классификации, позволяющая проводить оптимизацию процесса по различным целевым функциям.

Практическая ценность составляют следующие результаты:

1. Метод расчета гравитационной классификации, отличающийся учетом концентрации и фракционного состава исходного материала,

2. Метод расчета многопродуктовой классификации, позволяющий оптимизировать процесс при различной ценности получаемых фракций.

3. Использование разработанных подходов к математическому моделированию и расчету в других исследовательских и проектных работах в зарубежных лабораториях.

Автор защищает:

1. Результаты исследований по распределению частиц по скоростям в неподвижном и восходящем потоке газа.

2. Математическую модель и метод расчета гравитационной классификации, учитывающие влияние концентрации и фракционного состава.

3. Математическую модель и метод расчета многопродуктовой классификации. Апробация результатов работы. Отдельные части работы были доложены и получили одобрение на следующих научно-технических конференциях: 9-я Международная научно-техническая конференция «Бенардосовские чтения», Иваново, 1999г.; 13-я международная научная конференция «ММТ - 2000», Санкт-Петербург, 2000г.; Международная научная конференция «Жидкофазные системы и нелинейные процессы в химии и химической технологии», Иваново, 1999г.

Публикации. Материалы диссертации получили отражение в 8 печатных работах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов по работе, списка использованных источников и приложения.

7. Результаты работы нашли применение в научных исследованиях Ченстоховского политехнического института, Польша, и Горного института, Алби, Франция.

1. Ушаков С.Г., Зверев Н.И. Инерционная сепарация пьши. М.:Энергия, 1974.-168с.

2. Мизонов В.Е., Воробьев В.И., Сариев A.A. Длина релаксации скорости частиц в газовой среде. Черкассы; 1982. 8.с. Деп. в ОНИИТЭХИМ, №209хп-Д82.

3. Гухман A.A. Введение в теорию подобия. М.: Высшая школа, 1973. 296с.

4. Тихонов О.Н. Введение в динамику макропереноса процессов обогатительной технологии, Недра, 1973. 239с.

5. Кутепов A.M. // Теор. основы хим. технологии. 1987. Т.21. №2. С.147-156.

6. Ушаков С.Г. // Теплоэнергетика. 1979. № 1. С.39-41.

7. Непомнящий Е.А.// Известия ЛЭТИ. Л., 1971. Вып.92. С.80-82.Molerus О. Stochastisches Modell der Gleichgewichtisichterung. // Chem.-Ing.-Techn. 1967, Bd. 39, №13, s.792-796.•"9 Барский М.Д. Фракционирование порошков. М.:Недра, 1980. - 327с.

8. Барский М.Д. Оптимизация процессов разделения зернистых материалов. М.:Недра, 1978. - 168с.

9. Барский М.Д., Ревнивцев В.И. Гравитационная классификация зернистых материалов. М.:Недра, 1974. 232с.

10. Барский М.Д. Копия депонированной работы №1001хП. Черкассы, 1988, 222с.

11. Непомнящий Е.А. //Теор. основы хим. технологии. 1973. 239с

12. De Silva. Air Classifiers. State of Art and Future Potential. 1991, Postec Research, Porsgrunn, Norway.

13. Справочник no обогащению руд. Подготовительные процессы: Под ред. О.С. Богданова, В.А. Олевского. -М.:Недра, 1982. 366с.

14. Справочник по обогащению углей: Под ред. Благова И.С. М.: Недра, 1984,614с.

15. Физические величины. Справочник. Бабичев А.П.: под ред. Григорьева И.С. -М.: Энергоатомиздат, 1999.- 1232с.

16. Шиляев М.И. Гидродинамическая теория ротационных сепараторов. -Томск: Издательство Томского университета, 1983. 233с.

17. Бабуха Г.Л. Шрайбер А.А. Взаимодействие частиц полидисперсного материала в двухфазных потоках. К: Наукова Думка, 1972. - 174с.

18. Шваб В.А. Аэромеханические методы в технике производства порошковой технологии. Томск:Изд-во Томск. Ун-та, 1984, 158с.

19. Росляк А.Т., Бирюков Е.А. Пневматические методы и аппараты порошковой технологии. Томск: Изд-во Томск. Ун-та, 1990, 272с.

20. Мизонов В.Е., Ушаков С.Г. Исследование закономерностей аэродинамической классификации порошков в однородном поле массовых сил. В кн.: Гидродинамика, тепло- и массообмен в зернистых средах. Межвуз. сб. науч. тр. - Иваново, -1985. - с.47-51.

21. Шувалов СИ, Получение тонкодисперсных порошков в системах пылеприготовления с аэродинамическими классификаторами. // Химическая промышленность. 1992. - №8. - с.499-503.

22. Luckie Р.Т., Austin L.G. Technique for derivation of selectivity functions from experimental data. / Tenth international mineral processing congress 1973, London: IMM, 1975. 773-90.

23. Ведерников В.Б. Процессы разделения в газодисперсных средах. Дисс. . докт. техн. наук. - Свердловск, 1992. - 428с.

24. Падва Ю.И. Теоретическое и экспериментальное исследование циклонных пылеулавливателей. Дисс. . канд. техн. наук. - Москва, 1968.-114с.

25. Огава А. Коэффициент частичного улавливания циклонным сепаратором. // Рютай когаку, 1976, т.12, №4, с.229-237.

26. Пастин В.В. Центробежное разделение тонкодисперсных материалов в пневматических классификаторов спирального типа. Дисс. . канд. техн. наук. - Иваново, 1989. - 170с.

27. Говоров А.В. Каскадные и комбинированные процессы фракционирования сыпучих материалов. Дисс. . канд. техн. наук. -Свердловск, 1986.-220с.

28. Lynch A.J. Lecture notes on comminution and classification. University ofQueensland Australia, 1970, s.llO ff.

29. Дубовский И.Е., Климов И.И, Метод расчета пылеулавливателей и сепараторов пыли пылеприготовительных установок. // Энергомашиностроение. 1960. - №6. - с.21-25.

30. Сизова О.В. Прогнозирование потоков газа в аппаратах с газодисперсной средой с целью повышения их эффективности. Дисс. . канд. техн. наук. Иваново, 1994.

31. Mizonov v., Zhukov V., Bemotat S. Simulation of Grinding: New Approaches. ISPEU Press, 1997,108p.

32. Вильсон А.Дж. Энтропийные методы моделирования сложных систем. М.: Наука, 1978,248с.

33. Каплар Ж. Расчет эффекта процессов разделения, состоящих из любых лпераций разделения. Перевод №2724(3). - Свердловск.: Бюро переводов, -1975, - 18с.

34. Майков В.П., Моругин К.И. Ректификация непрерывных смесей. Уч пособие. М.: Моск. ин-т хим. машиностр., 1979, 88с.

35. Malaza E.D., Miller H.G. Approximate time dependent solutions of partial differential equations: MaxEnt-Minimum norm approach. Physica A 265, 1999, c. 225-234

36. Plastino A, Plastino A.R. Continuity equations, H-theorem, and maximum entropy. Physica A 232, 1997, c. 350-355

37. Sobczyc K., Trebicki J. Approximate probability distributions for stochastic systems: maximum entropy method., Comput. Methods Appl. Mech. Engrg. 168,1999, c. 91-111

38. Zainetdinov R.I. Dynamics of informational entropy associated with self-organisation process in open system. Chaos, solitons & fractals vol. 10, No 9, pp. 1425-1425, 1999

39. Landsberg P.T., Vedral V. Distributions and channel capacities in generalized statistical mechanics. Physica A 247,1998, pp. 211-217

40. Kantz H., Olbrich E. Coarse grained dynamical entropies: Investigation ofhigh-entropic dynamical systems. Physica A 280, 2000, pp. 34-48

41. Iglesias P. A., Peters M. A. An entropy formula for nonlinear systems. Journal ofFranklin institute 337,2000, pp. 859-874

42. Slomczyski W. From quantum entropy to iterated function systems. Chaos, solitons & fractals vol. 8, No 11., 1997, pp. 1861-1864

43. Jumarie G. A new information theoretic approach to the entropy of non-random discrete maps relation to fractal dimension and temperature of curves. Chaos, solitons & fractals vol. 8, No 6., 1997, pp. 953-970

44. Jumarie G. Entropy ofMarkovian processes: application to image entropy in computer vision., J. Franklin Inst. Vol 355B. No. 7, pp. 1327-1338

45. Abe S. Axioms and uniqueness theorem for Tsallis entropy. Physics A 271, 2000, pp. 74-79

46. Feng Y. Fuzzy stochastic differential systems. Fuzzy sets and systems 115, 2000, pp. 351-363

47. Bashkirov A.G., Vityazev A.V. Information entropy and power-law distriburions for chaostic systems., Physica A 227, 2000, pp. 136-145

48. Gokhshtein A. Y. On the possibility of verifying the new entropy equation. Journal of electroanalytical chemistry 387, 1995, pp. 121-122

49. Сокольская T.B., Ясинский Ф.Н., Ушаков С.Г.//Изв. Вузов. Химия и хим. технология. 1981. Т.24. Вьш.9. С. 1162-1168.

50. Жуков В.П., Мизонов В.Е., Отвиновски X., Шорин P.A. Энтропийная модель гравитационной классификации.//Теор. основы хим. технологии, -2000, т.34,№4, с.413-415.

51. Жуков В.П., Шорин P.A., Барочкин Е.В. Энтропийное моделирование и идентификация энергетического закона классификации.//Химия и хим. технология, 2000, т.43, вьш.4, с.65-68.

52. Жуков В.П., Шорин Р.А., Отвиновски X., Филичев П.В. Расчетно -экспериментальное исследование распределения частиц по скоростям в газовом потоке. //Химия и хим. технология, 2001, т.44(2), вып.2, с. 150152.

53. Жуков В.П., Шорин Р.А. Энтропийное моделирование процесса гравитационной классификации.//Химия и хим. технологии, 1999, т.42, вып.З, с. 146-147.

54. Жуков В.П., Шорин Р.А. Энтропийное моделирование сепарации угольной пыли на ТЭС.//Труды ИГЭУ, вып.2, с.75-76.

55. Жуков В.П., Шорин Р.А. Энтропийное моделирование классификации порошков.//Тез. Межд. научн.-техн. конф. Ивановского гос. энергетического универс, 1999, с.307.

56. Шорин Р.А., Жуков В.П., Отвиновскит X. Идентификация энтропийной модели воздушной классификации порошков. Сб. трудов 13-й межд. конференции, ММТ 2000, т.З, Санкт-Петербург, 2000, с. 56-57.

57. Жуков В.П., Шорин Р.А., X. Отвиновски. Энтропийное моделирование процесса классификации.//Тез. межд. научн. конф. Института химии растворов, 1999, с.63.

58. Leszczynski J. Charakteristiky pola predkosci ziaren w turbulentey I cyrculacyjnej warstwie fluidalnej. Rjzpzawa doktjrska, Chtstohova, 1998

59. Biz Z., Leszczynski J. The structure models of fluidized beds., Fluidization 8. 1995,pp.531-538.

60. Biz Z., Grajevski W.A new measurement method of particles velocities in fluidized beds. V International conference CFB-5, Bejing, China, 1996, M l -M4.

61. Выгодский М.Я. Справочник по высшей математике. М.: Наука, 1976, 871с.

62. Савельев И.В. Курс общей физики. Молекулярная физика.: Уч. пособие для втузов в Зт. М.:Наука, 1986, 356с.

63. Бусройд Р. Течение газа со взвешенными частицами, М.: Мир, 1973,378с.

64. Барский М.Д., Соколкин Ю.В. О построение стохастической модели процесса гравитационной классификации. Изв. Вузов «Горный журнал», 1968,№7,с.156-158.

65. БабзЛа Г.Л., Рабинович М.И. Механика и теплообмен полидисперсной газовзвеси. Киев: «Наукова думка», 1969, 218с.

66. Лева М., Псевдосжижение. М., Гостоптехиздат, 1961, 400с.

67. Канусик Ю.П. Влияние высоты противоточного воздушного классификатора на эффективность процесса. Изв. Вузов, «горный журнал», 1969, №8, с. 153-154

68. Серрин Дж. Математические основы классической механики жидкости. -М.: ИЛ, 1963.-256с.

69. Жуков В.П., Горнушкин А.Р., Мизонов В.Е. Построение кривой разделения при многостадийной классификации порошков // Теор. основы хим. тех. -1991. т.25. - №4. - с.601-604.