автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Распределение энергии по фракциям материала при измельчении и его влияние на прогнозирование фракционного состава

Введение.

Глава 1. Современные подходы к математическому моделированию процесса измельчения. Преобразование фракционного состава и потребление энергии.Ю

1.1. Основные соотношения популяционно-бшгансовой модели измельчения.

1.2. Энергетические аспекты измельчения. Попытки замыкания популяционно-балансовой модели.

1.3. Распределение энергии между фракциями. Функция расщепления (распределения) энергии.

1.4. Постановка задачи исследования.

Глава 2. Теоретические предпосылки экспериментального исследования распределения энергии.

2.1. Принципиальная нелинейность процессов измельчения.

2.2. Чувствительность фракционного состава к распределению энергии между фракциями сырья.

2.3. Выводы по главе 2.

Глава 3. Экспериментальное исследование распределения энергии по фракциям измельчаемого материала методом цветцых фракций.

3.1. Метод цветных фракций в исследовании распределения энергии.

3.2. Схема реализации метода и средства его компьютерной поддержки.

3.3. Исследование распределения энергии при сжатии.

3.3.1. Испытательный стенд и расчет удельной энергии.

3.3.2. Исследование распределения энергии в бинарной смеси фракций.

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ п - количество фракций материала i,j - номер рассматриваемой фракции Mj - масса j-й фракции, кг М- масса материала, кг f, f' - матрицы-столбцы размера пх 1 гранулометрического состава материала до и после измельчения fj - массовая доля материала j- й фракции Xj - средний размер /-й фракции, мм max min ~ ■ ^ i xj , Xj - максимальный и минимальныи размер j-и фракции, мм Хтах - максимальный размер частиц материала, мм хсР ~ средний размер частиц материала, мм у - размер частиц сырья, мм У max - максимальный размер частиц сырья, мм

Р - квадратная матрица преобразования гранулометрического состава размера пхп Ру - элемент матрицы Р S(x) - селективная функция S - матричное выражение селективной функции Sj - элемент селективной матрицы

В - матричное выражение распределительной функции by - элемент распределительной матрицы I - единичная матрица t - время, с

Е, Ej - полные энергии, подводимые к материалу в целом и к отдельной фракции, Дж

Ет, Emj - удельные энергии, подводимые к материалу в целом и к отдельной фракции, Дж/г бу - энергия, необходимая для полного преобразования фракции /' во фракцию j cr , с в, с к - постоянные коэффициенты в энергетических законах Syd - удельная поверхность материала Н- информационная энтропия kj - значение функции распределения энергии для j-й фракции с\, с2- параметры аппроксимационной зависимости для функции распределения энергии [54] Rj - величина полного остатка фракции j

D - внутренний диаметр матрицы для измельчения сжатием, мм hc - высота слоя материала при измельчении сжатием, мм

F - усилие сжатия, кН h - деформация материала при сжатии, мм а,Ь- параметры в уравнении функции распределения энергии

V - объем материала, м

F<p - полностью заполненный объем межшарового пространства, м

U - степень заполнения межшарового пространства

VM - заполненный шарами объем мельницы, м л - доля пустот между мелющими телами (порозность) р - степень заполнения мельницы шарами (шаровая загрузка)

VM — объем мельницы, м

Lm, Dm - длина и внутренний диаметр мельницы, мм со - частота вращения мельницы, об/мин d\,d2,b\,b2~ параметры селективной модели

Актуальность темы диссертации. Современные технологии характеризуются все более возрастающим использованием материалов в состоянии тонко измельченных порошков. При этом спектр размалываемых материалов и требований к тонкости измельчения, а, главное, к их фракционному составу непрерывно расширяется. Выявление особенностей измельчения того или иного материала путем прямых экспериментальных исследований процесса во всем возможном диапазоне изменения его параметров является продолжительной и дорогостоящей процедурой. Именно поэтому возрастает роль математических моделей, позволяющих значительно снизить требуемый объем экспериментальных исследований, необходимых для достоверного прогнозирования характеристик измельченного материала, и тем самым уменьшить их стоимость и продолжительность. Однако, претендующие на эту роль математические модели уже не могут ограничиваться допущениями, позволяющими лишь качественно описать эволюцию фракционного состава материала при измельчении: для обеспечения достоверных прогнозов они должны принимать во внимание все большее число явлений, игнорировавшихся на начальных стадиях моделирования.

Одной из наиболее проблематичных гипотез, используемых почти во всех моделях преобразования фракционного состава при измельчении, является гипотеза о йезависимом измельчении фракций и распределении подводимой к материалу энергии пропорционально их массе. Она позволяет использовать результаты экспериментального исследования по измельчению отдельных узких фракций для прогнозирования измельчения их смесей путем обычной суперпозиции. Выполненные в последние годы экспериментальные исследования показали, что, например, при измельчении сжатием разница прогнозируемого на основе этой гипотезы и реального фракционного состава может выходить далеко за пределы допуска, perламентируемого современными технологиями. Поскольку эта гипотеза является одной из ключевых в моделировании измельчения, ее детальное исследование предопределило цели настоящей работы, которая выполнялась в рамках ФЦП "Интеграция" (2.1-А118 Математическое моделирование ресурсосберегающих и экологически безопасных технологий) и международных договоров о научно-техническом сотрудничестве между ИГЭУ и Техническим университетом г. Брауншвейг, Германия, и Горным институтом г. Алби, Франция.

Целью работы являлось повышение точности прогнозирования характеристик процессов измельчения путем исследования распределения подводимой энергии между фракциями сырья и введения соответствующих поправок в существующие методы расчета.

Научная новизна результатов работы заключается в следующем:

1. Предложен метод цветных фракций (трассеров) для экспериментального исследования измельчения фракции в смеси с другими фракциями, разработано методическое обеспечение и средства компьютерной поддержки его применения.

2. Экспериментально показано, что при измельчении сжатием распределение энергии по фракциям измельчаемого материала существенно отличается от пропорционального массе фракций и установлена экспериментальная зависимость функции распределения энергии от основных характеристик процесса.

3. Предложено математическое описание функции распределения энергии при измельчении сжатием, находящееся в удовлетворительном соответствии с опытными данными.

4. Экспериментально показано, что в условиях вибрационного измельчения распределение энергии по фракциям сырья близко к пропорциональному их массе.

Практическая ценность результатов работы заключается с следующем:

1. Предложен метод расчета фракционного состава измельченного сжатием материала, учитывающий отличное от пропорционального массе фракций распределение энергий и позволяющий повысить точность прогнозирования результатов измельчения.

2. Разработанный экспериментальный метод цветных фракций может успешно использоваться при исследовании измельчения для любого способа нагружения, а также других механических процессов переработки сыпучих материалов.

3. Метод цветных фракций внедрен в практику исследований в Центре порошков и процессов Горного института г. Алби, Франция, и на кафедре тепловых машин Ченстоховского политехнического института, Польша.

Автор защищает:

1. Методику экспериментального исследования процессов измельчения фракций в смесях путем использования цветных фракций.

2. Результаты экспериментального исследования и их обобщение по распределению энергии между фракциями сырья при измельчении сжатием и вибрационном измельчении.

3. Метод расчета измельчения сжатием с корректировкой распределения энергии по фракциям сырья.

•и

Апробация результатов работы. Основные результаты работы были доложены и получили одобрение на следующих научно-технических конференциях: Международные научно-технические конференции "Бенардосов-ские чтения" (Иваново, 1997, 1999, 2001), I Всероссийская научно-техническая конференция "Компьютерные технологии в науке, проектировании и производстве" (Нижний Новгород, 1999), IV Miedzynarodowa konferencja naukowa "Teoretyczne i eksperymentalne podstawy budowy aparatury" (Krakow, 1999), Международная научная конференция "Жидко9 фазные системы и нелинейные процессы в химии и химической технологии" (Иваново, 1999), International Congress for Particle Technology "PARTEC" (Nuremberg, 2001).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 работ [55-67].

Объем и структура работы. Диссертация представлена на 92 стр., содержит 24 рис., 2 таблицы и состоит из введения, 4-х глав, основных выводов, списка использованных источников (67 наименований) и приложения.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Для исследования распределения энергии по фракциям при их измельчении в смеси фракций предложен экспериментальный метод цветных фракций, заключающийся в определении подведенной к фракции энергии по ее разрушенной части при изолированном нагружении и в смеси. Разработаны средства компьютерной поддержки использования этого метода.

2. С использованием этого метода экспериментально показано, что при измельчении сжатием распределение энергии по фракциям сырья существенно отличается от пропорционального массе фракций, и расчет по последнему не может обеспечить удовлетворительной точности прогноза фракционного состава при измельчении.

3. Экспериментально исследована функция распределения энергии при измельчении сжатием и предложено ее математическое описание. Выявлено, что на ее величину размер и содержание фракций влияют значительно больше, чем величина подводимой энергии.

4. Предложен метод расчета измельчения сжатием, включающий реальное распределение энергии по фракциям сырья и позволяющий повысить * точность прогнозирования фракционного состава измельченного материала. Ошибка прогнозирования без использования функции распределения энергии в зависимости от фракционного состава достигает 50%, а с ее использованием не превышает 5%.

5. С помощью метода цветных фракций экспериментально показано, что распределение энергии по фракциям сырья при вибрационном измельчении практически совпадает с пропорциональным массе фракции.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАВШИХСЯ ИСТОЧНИКОВ

1. Кафаров В.В, Дорохов И.Н., Арутюнов С.Ю. Системный анализ процессов химической технологии. Процессы измельчения сыпучих материалов. М.: Наука, 1985.- 440с.

2. Сидненко П.М. Измельчение в химической промышленности. М.: Химия, 1977.

3. Bernotat, S., Schonert, К.: Size Reduction In: Ullmann's Encyclopaedia of Industrial Chemistry. VCH, Weinheim, 1998.

4. Андреев C.E., Петров В.А., Зверевич B.B. Дробление, измельчение и грохочение полезных ископаемых. -М.: Недра, 1980.-416 с.

5. Ромадин В.П. Пылеприготовление. -М.-Л.:Госэнергоиздат,1953.-519с.

6. Дуда В. Цемент. -М.:Стройиздат, 1981.-264 с.

7. Лебедев А.Н. Подготовка и размол топлива на электростанциях. -М.: Энергия, 1969. -520с.

8. Андреев С.Е., Товаров В.В., Петров В.А. Закономерности измельчения и исчисления характеристик гранулометрического состава. -М.: Металлургиздат, 1959. -437с.

9. Линч А. Циклы дробления и измельчения. -М.: Недра, 1980.-343с.

10. Ходаков Г. С. Физика измельчения. ~М.: Наука, 1972. -308с.

11. Математическое описание и алгоритмы расчета мельниц цементной промышленности. / Под ред. М. А. Вердияна. -М.: НИИЦемент.-94с.

12. Мизонов В.Е., Ушаков С.Г. Аэродинамическая классификация порошков. -М.:Химия, 1989. -160с.

13. Осокин В.П. Молотковые мельницы. -М.: Энергия, 1980. - 176с.

14. Конышев И.И. Основы феноменологической теории измельчения. Курс лекций. - Иваново, ИГЭУ, 1996.

15. Зайцев А. И., Бытев Д.О. Ударные процессы в дисперсных системах. -М.: Химия, 1994, 178 с.

16. V. Mizonov, V. Zhukov, S. Bernotat, P. Filitchev. Simulation of Grinding: New Approaches. ISPU Press, 1996, 108 p.

17. Мизонов B.E. Формирование дисперсного состава и массопотоков сыпучих материалов в технологических схемах измельчения. Дисс. на соиск. уч. ст. докт. техн. наук. -М.: МИХМ, 1985.

18. Бобков С.П. Механическая активация твердых тел с целью интенсификации гетерогенных процессов. Дисс. на соиск. уч. ст. докт. техн. наук.-М.: МИХМ, 1992.

19. Жуков В.П. Измельчение-классификация как процесс с распределенными параметрами: моделирование, расчет и оптимизация. Дисс. на соиск. уч. ст. докт. техн. наук. -М.: МИХМ, 1993.

20. Шувалов С.И. Структурная и режимная оптимизация процессов фракционирования порошков. Дисс. на соиск. уч. ст. канд. техн. наук.-Иваново.: ИИСИ, 1995.

21. Поспелов А.А. Получение дисперсных материалов требуемого гранулометрического состава в процессах вибрационного измельчения. Дисс. на соиск. уч. ст. канд. техн. наук.- Иваново.: ИХТИ, 1990.

22. L.G. Austin, Introduction to the mathematical description of grinding as a rate process. Powder Technology, 5 (1971/1972) pp. 1-17.

23. Broadbent, S.R., Callcott, T.G. A Matrix Analysis of Processes Involving particle Assemblies. Phill. Trans. Roy. Soc., 1956, A249, pp. 99-123.

24. Bertrand D. et al. Evolution of Chemical Composition of Pea Seeds according to particle size during comminution using a markovian process. Proc. of 9-th European Symp. on Comminution. VI. ALBI, 1998, pp. 175183.

25. Овчинников П.Ф. Дифференциальные и интегральные уравнения кинетики измельчения.// Процессы в зернистых средах.-Иваново.-1989.-с. 3-8. 36.

26. Мизонов В.Е., Жуков В.П., Ушаков С.Г. О расчете дисперсного состава сыпучих материалов при измельчении. ТОХТ, 1988, №3, с. 427-429

27. Жуков В.П., Мизонов В.Е. Моделирование и расчет совмещенных процессов измельчения и классификации. Изв. ВУЗ "Химия и хим. технология", 1989, т.32, №6, с.155-117.

28. Мизонов В.Е., Жуков В.П., Горнушкин А.Р. Аналитическое решение обобщенного уравнения кинетики измельчения. Изв. ВУЗ "Химия и хим. технология", 1989, т.32, №6, с.115-117.

29. Жуков В.П., Греков А.В., Мизонов В.Е. Влияние фракционного состава мелющих тел на кинетику измельчения. ТОХТ, 1993, т.27, №2, с. 199-201.

30. Р.С. Kapur. An improved method for estimating the feed-size breakage distribution functions. Powder Technology, 33 (1982) 269-275.

31. H. Berhiaux, J.Dodds. A new estimation for the determination of breakage and selection parameters in batch grinding. Powder Technology 94 (1997) 173-179.

32. Мизонов В.Е. Некоторые закономерности селективного измельчения.//Теор. осн. хим. технологии. -1984. -т. 18. -N3.- с. 410-411.

33. Mizonov V., Zhukov V. Mathematical Description of Distributed Comminution ProcessZ/Technology Today. 1991. No. 4, pp.203-206.

34. De Silva, S.R.: Air Classifiers. State of the Art and Future Potentials. POSTEC RESEARCH, Porsgrunn, 1991.

35. Майков В.П., Цветков А.А. Проектирование ректификационных колонн. Информационный подход. Учебное пособие. - М.: МИХМ, 1997.

36. Wilson, A.G.: Entropy in Urban and Regional Modelling. Pion Limited, London, 1970.

37. Мизонов B.E. Кризис популяционно-балансовой модели и новые подходы к моделированию процессов измельчения. Тез. докл. Международной НТК "VIII Бенардосовские чтения", 1997, Иваново, с.87.

38. Эльсгольц Л.Э. Дифференциальные уравнения и вариационное исчисление. М.: Наука, 1969.

39. Schlechter, R.S.: The Variational Method in Engineering. McGraw-Hill Book Company, 1967.

40. Stoecker, W.F.: Desing of Thermal Systems. 3-d Edition. McGraw-Hill Book Company, 1989.

41. В.П. Жуков, B.E. Мизонов, П.В. Филичев, С. Бернотат. Моделирование процесса измельчения с использованием принципа максимума энтропии. Powder Technology, 1998 pp. 248-253.

42. В.П. Жуков, B.E. Мизонов, П.В. Филичев, С. Бернотат. Применение принципа максимума энтропии к прогнозированию процессов измельчения, Теор. основы хим. технологии, 1998, т. 32, №2, с. 183-187.

43. В.Е. Мизонов, В.П.Жуков, П.В. Филичев. Прогнозирование формы и размеров частиц при измельчении, Химическая промышленность, 1995, №8, с.42-45.

44. В.П. Жуков, В.Е. Мизонов, В.П. Майков, П.В. Филичев. Энтропийный метод в моделировании процесса измельчения, Химическая промышленность, 1994, №8, с. 42-45.

45. В.Е. Мизонов, В.П. Жуков, А.Р. Горнушкин, П.В. Филичев. Расчет гранулометрического состава продуктов измельчения на основе принципа максимума дифференциальной энтропии. Химия и химическая технология. 1996, т. 36, вып. 6, с. 101-103.

46. В.Е. Мизонов, В.П. Жуков, П.В. Филичев. Энтропийные методы в моделировании процессов измельчения, Хим. пром., 1995, №8,0.127-131.

47. V. Mizonov, V. Zhukov, P. Filitchev.- Vorhersage von Partikelformund-abmessungen bei der Zerkleinerung Verfahrenstechnische Berichte, 1996, p.611,23-24

48. П.В. Филичев. Об одном подходе к моделированию процессов измельчения. Тез. докл. Международн. НТК "VIII Бенардосовские чтения", 4-6 июня 1997, Иваново, с.275.

49. V. Zhukov, V. Mizonov, P. Filitchev, S. Bernotat. Modelling of Grinding Processes by means of the principle of maximun entropy The 2nd Israel conference fro conveying and handling of particulate solids, May 26-28, 1997.

50. В.Е. Мизонов, В.П. Жуков, П.В. Филичев. Новый подход к моделированию процесса измельчения Сб. докл. Международной НК "Теоретические и экспериментальные основы создания нового оборудования". Иваново-Плес, 1997, с.62-69

51. V. Zhukov, V. Mizonov, P. Filitchev, S. Bernotat. Entropy approach to modeling a process of comminution XVI ogolnopolska konferencja in-zynierii chemicznej i procesowej, Краков, 1998

52. V. E. Mizonov, V. P. Zhukov, P. V. Filitchev, S. Bernotat. Application of the principle of maximum entropy to predicting particle size and shape distribution in ground materials. Proc. of the 3-d World Congress on Particle Technology. Brighton, 1998.

53. Liu, J. Schonert, K.: Modelling of Interparticle Breakage. Proc. 8-th European Symp. on Communition. Vol. 1, Stockholm, 1994, pp. 102-115.

54. Liu, J.: Modellierung der Zerkleinerung in einem Gutbett. Dissertation. Clausthall, 1994.

55. В.Е. Мизонов, А. Бертье, Д.Е. Лебедев, В.П. Жуков. Нелинейные эффекты при измельчении./ Теор. основы хим. технологии, - 2000, т.34, №4, с. 409-412.

56. В.Е. Мизонов, Д.Е. Лебедев, С.Ф. Смирнов, В.П. Жуков. Влияние распределения энергии по фракциям сырья на гранулометрический состав измельченного материала./ Изв. вуз. Химия и химическая технология, - Иваново, 1999, №1, с. 123-124.

57. Д.Е. Лебедев, В.Е. Мизонов, С.Ф. Смирнов, Е.В. Барочкин, 3. Берно-тат. Использование цветных фракций для экспериментального исследования процессов измельчения./ Изв. Вуз. Химия и химическая технология, - Иваново, 1999, №4, с.126-128.

58. V. Mizonov, Н. Berthiaux, V. Zhukov, S. Abramov, D. Lebedev. Some new approaches to the investigation of the matrix of grinding./ IV Miedzy-narodowa konferencja naukowa. Teoretyczne i eksperymentalne podstawy budowy aparatury, Krakow, 1999, p. 165-170.

59. V.E. Mizonov, D.E. Lebedev, V.P. Zhukov, S. Bernotat. Direct experimental investigation of enegry split function for grinding by compression./

PARTEC. International congress for particle technology, Nuremberg,

2001, p.58.

60. В.Е. Мизонов, Д.Е. Лебедев, A.H. Беляков, С.Ф. Смирнов, А. Бертье. Об определении матрицы измельчения в математической модели размола твердого топлива./ Труды ИГЭУ "Повышение эффективности работы ТЭС и энергосистем", Иваново, 1999, с.77-78.

61. Д.Е. Лебедев, В.Е. Мизонов, С.Ф. Смирнов, S. Bernotat. Экспериментальное исследование распределения энергии по фракциям измельчаемого материала./ Тез. докл. Международн. научн.-техн. конф. "Состояние и перспективы развития электротехнологии"(1Х Бенардосов-ские чтения), 8-10 июня 1999, Иваново, с.309.

62. В.Е. Мизонов, Н. Berthiaux, Д.Е. Лебедев, С.В. Абрамов. Некоторые нелинейные задачи кинетики измельчения./ Тез. докл. Международн. научн. конф. "Жидкофазные системы и нелинейные процессы в химии и химической технологии", 13-15 сентября 1999, Иваново, с.73.

63. Д.Е. Лебедев, А.В. Киселев. Энергопотоки при измельчении./ Тез. докл. Международн. научн.-техн. конф. "X Бенардосовские чтения", 6-8 июня 2001, Иваново, с.208.

64. А.В. Дроздов, В.П. Жуков, Д.Е. Лебедев. Определение распределения частиц произвольной формы по размеру и цвету./ Тез. докл. Международн. научн.-техн. конф. "X Бенардосовские чтения", 6-8 июня 2001, Иваново, с.206.

65. А.Н. Беляков, В.П. Жуков, Д.Е. Лебедев, С.Ф. Смирнов. Компьютерное моделирование процесса измельчения./ Тез. докл. I Всероссийской научн.-техн. конф. "Компьютерные технологии в науке, проектировании и производстве", 3-4 февраля 1999, Нижний Новгород, с.З.

66. С.В. Абрамов, А.Н. Беляков, Д.Е. Лебедев. Применение метода Монте-Карло к моделированию процессов в дискретных средах./ Тез. докл. Международн. научн.-техн. конф. "VIII Бенардосовские чтения", 4-6 июня 1997, Иваново, с.275.

67. Беляков, В.П. Жуков, Д.Е. Лебедев, В.Е. Мизонов. Применение метода Монте-Карло к прогнозированию гранулометрического состава измельченных частиц./ Межвуз. сб. научн. тр. "Процессы в дисперсных средах", Иваново, 1997, с.З8-43. t

ECOLE DES MINES D'ALBI

С - A R M A U X

INFORMATION

According to the Agreement on Scientific Cooperation between the Department of Applied Mathematics (Ivanovo State Power Engineering University, Russia) and Centre de Recherche Poudres et Precedes (Ecole des Mines d'Albi, France) the following scientific results were transferred to the Center and are currently used in ongoing research projects:

Application of the method of breakable color fraction to investigation of energy distribution in different processes of powder technology.

The method was developed in ISPEU by PhD student D.Lebedev, prof. V.Mizonov, and prof. V.Zhukov.

Professeur John Dodds

Directeur

Centre de Recherche Poudres et Proc6des >Ecole des Mines d'Albi

Campus Jarlard - 81013 ALB I CT Cedex 09 FRANCE Tel : (33) 05 63 49 30 00 - Fax : 05 63 49 30 99

POLITECHNIKA CZ^STOCHOWSKA • WYDZIAL BUDOWY MASZYN

KATEDRA KOTtOW I TERMODYNAMIKI

-200 Czpstocbowa, Al. Armii Krajowcj 19c Tel./Fax. +48 34 250 579

CzestochQwa, 10.07.2000.

СПРАВКА об использовании научных результатов диссертационной работы аспиранта ИГЭУ Д. Е. Лебедева (руководитель профессор В.Е.Мизонов)

В рамках договора о научно-техническом сотрудничестве на кафедру на безвозмездной основе передан метод расчета распределения энергии между фракциями сырья при измельчении сжатием, который используется при выполнении исследовательских и проектных работ по технологиям измельчения.

Prof, dr

GAJEWSKI i(ATEDRA KOTtOW I TERMODYNAMIKI

Wydziat Blidowy Maszyn Politechnika Cz<?stochowska 42-200 Czestochowa, Al. Armii Krajowej 19 С Tel./Fax (034) 325-05-79 л 4