Введение к работе
Актуальность проблемы. Недра Казахстана хранят в себе огромные запасы разнообразных полезных ископаемых, в том числе, значительные запасы руд цветных металлов. Вопросы повышения эффективности их использования стоят особенно остро на нынешнем этапе, когда в переработку вовлекаются все более беднпе руды. Для обеспечения экономической эффективности их обогащения необходимо разрабатывать новые технологии и совершенствовать существующие, что невозможно без разработки эффективных систем и алгоритмов автоматического управления этими процессами.
Автоклавная гидрометаллургия, осуществляемая при повышенных температурах и давлениях в герметичных аппаратах с энергичным массообменом, по праву считается, наряду с автогенными процессами, прогрессивной технологией в металлургии цветных металлов. Выщелачивание - одна из основных операций гидрометаллургического вскрытия сырья. По этой причине много внимания уделяется изучению кинетики реакций выщелачивания. Однако построению математической модели непрерывного автоклавного выщелачивания на основе полученных кинетических зависимостей посвящено сравнительно небольшое число работ. Малая развитость исследований в данном направлении обусловлена тем, что задача моделирования процессов автоклавного выщелачивания лежит на стыке трех наук: математики, химической технологии и теории автоматического управления.
Без математического аппарата, позволяющего строить модель выщелачивают в непрерывном промышленном автоклаве по данным экспериментов на периодическом лабораторном автоклаве невозможно спроектировать гидрометаллургическое предприятие минуя, требующие значительных затрат времени и денежных средств, полупромышленные испытания.
Для разработки алгоритмов автоматического управления процессом автоклавного выщелачивания необходимо иметь его математическую модель. Эту модель можно построить либо в результате проведения на промышленном автоклаве дорогостоящих активных экспериментов (пассивные эксперименты дешевле, но требуют больших затрат времени), либо в результате математического моделирования на основе данных сравнительно недорогого лабораторного эксперимента.
Имея надежный математический аппарат, позволяющий строить адекватную математическую модель процесса выщелачивания в непрерывном промышленном автоклаве по данным эксперимента на лабораторном периодическом автоклаве можно значительно сократить расходы денежных и временных ресурсов на проектирование гидрометаллургических заводов и разработку алгоритмов автоматического управления процессом выщелачивания. Опыт работы зарубежных исследовательских центров уже показал эффективность такого подхода.
Из сказанного выше вытекает актуатьность рассматриваемой темы исследования.
Цель работы: Разработка методов, математических моделей и алгоритмов управления процессом выщелачивания сульфидных материалов, позволяюших улучшить технгасо - экономические показатели гидромсталлургнческого производства.
Идея работы - заключается в использовании закономерностей кинетики выщелачивания сульфидных материалов при разработке адаптивных систем автоматического управления.
Для достижения поставленной цели в работе сформулированы и решены следующие основные задачи:
1 .Проведение экспериментов на лабораторных автоклавах периодического действия по окислительному сернокислотному выщелачиванию мономинеральных и технологических образцов сульфидных материалов с целью получения исходной информации для математического моделирования.
2.Совершенствование методов первичной обработки экспериментальных данных.
3.Разработка метода построения динамической модели выщелачивания сульфидных материалов в лабораторном автоклаве периодического действия.
4.Разработка программных средств, автоматизирующих процесс формирования плана эксперимента на основе греко-латинского или стандартного латинского квадратов и обработки экспериментальных данных методами математической статистики с получением частных и обобщенных зависимостей и расчетом коэффициента нелинейной множественной корреляции.
5.Разработка статической и динамической математической модели крупномасштабного процесса выщелачивания технологических образцов сульфидных материалов в непрерывном режиме по данным экспериментов на лабораторном автоклаве периодического действия. Выбор канала управления и определение передаточной функции автоклава по этому каналу.
б.Разработка системы автоматического управления процессом выщелачивания сульфидных материалов и компьютерное моделирование функционирования полученной системы в условиях воздействия внешних возмущений.
7.Разработка АСУТП производства цинкового купороса на Николаевской обогатительной фабрике Восточно - Казахстанского медно - химического комбината.
Научные положения разработанные лично диссертантом и их новизна:
1. Метод разработки динамической математической модели процесса выщелачивания сульфидного материала в автоклаве периодического действия, новизна которого заключается в определении порядка скорости выщелачивания как функции от извлечения, что позволяет определять порядок мгновенной скорости выщелачивания и делает возможным изучение кинетики выщелачива-
ния сульфидных материалов в случаях, когда концентрация активного реагента существенно изменяется во времени. Кроме того, метод позволяет строить динамическую модель процесса выщелачивания в случаях, когда состояние поверхности частицы зависит не только от степени вскрытия материала, но и от состава раствора.
-
Статическая модель промышленного прямоточного автоклава и его динамическая модель по каналу управления " расход пульпы - извлечение цинка в раствор", новизна которых заключается в том, что они основаны на кинетических закономерностях автоклавного выщелачивания технологических образцов сульфидных материалов, полученных на лабораторном автоклаве периодического действия. Разработанные модели позволяют проектировать новые гидрометаллургические производства и разрабатывать для них адаптивные системы автоматического управления.
-
Система автоматического управления процессом автоклавного выщелачивания по каналу управления «расход пульпы - извлечение цинка в раствор», новизна которой заключается в использовании алгоритма управления в виде лингвистических правші управлеїшя нечетким контроллером, что позволяет эффективно управлять существенно нестационарным процессом выщелачивания сульфидных материалов.
-
Компьютерная модель функционирования разработанной системы в условиях воздействия сильных неконтролируемых возмущений, новизна которой заключается в программной реализации статической и динамической модели автоклава, нечеткого регулятора и разнообразных возмущений, влияющих на динамические и статические свойства автоклавного выщелачивания, что позволяет определить оггпшалькые величины параметров функций принадлежности предпосылок и заключений нечеткого контроллера, и требования к диапазону варьирования расхода пульпы з автоклав.
-
АСУТП производства раствора цинкового купороса на Николаевской обогатительной фабрике Восточно - Казахстанского медно - химического комбината, новизна которой заключается в том, что управление автоклавом осуществляется по каналу «расход пульпы - почасовой выход цинка в раствор», что позволяет существенно повысить оперативность управления данным процессом и улучшить его технико - экономические показатели.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации подтверждается: корректным использованием в проведенных исследованиях методов математической статистики, возможностей программного пакета MathCad; адекватностью полученных математических моделей выщелачивания пирита и сфалерита результатам эксперимента; апробацией основных положений работы на международных и республиканских научных конференциях.
Научная значимость работы состоит в разработке методов, необходимых для построения динамической математической модели процесса автоклавного выщелачивания сульфидных материалов. Разработанные методы охватывают весь процесс построения математической модели от планирования и проведения эксперимента до собственно математического моделирования с использованием программного пакета MathCad. Разработан новый метод построения динамической модели процесса выщелачивания, развивающий и дополняющий основные положения «кинетической функции» Вигдорчика и Шейнина. Рассмотрено применение нечеткой логики для управления автоклавом. На примере ЛСУТП производства раствора цинкового купороса показано применение для этих целей статической модели процесса и нечеткого ГШД контроллера. Разработана целевая функция управления этим процессом.
Практическая значимость работы состоит в разработке:
Программного продукта Expmat, автоматизирующего процесс планирования эксперимента и обработки его результатов, новизна которого заключается в том, что он составляет план эксперимента на основе латинского, или греко - латинского квадратов, и рассчитывает обобщенную зависимость в виде полуэмпирического уравнения Протодьяконова, что позволяет сократить колігчество экспериментов и повысить точность получаемых эмпирических зависимостей.
Способа переработки сульфидных цинксодержащих концентратов, включающего окислительное автоклавное выщелачивание раствором серной кислоты при избыточном давлении кислорода и температуре, превышающей температуру плавления элементарной серы, с добавлением поверхностно - активных веществ в количестве 0,1 - 0.5 % от массы концентрата, отличающегося тем. что в качестве поверхностно — активных веществ используют мирице-тин или кверцетин, которые в процессе выщелачивания подают однократно (Предварительный патент №9444. Зарегистрирован в Государственном реестре изобретений Республики Казахстан 15.09.2000).
Апробация практических результатов. Основные результаты диссертационной работы обсуждались на Международной научно-практической конференции "Комплексное использование минеральных ресурсов Казахстана". 7-9 октября 1998г, на 6-ой Международной конференции "Математика. Компьютер. Образование", г. Пушино, 24-30 января 1999г. и на научно-технической конференции "Академик К. И. Сатпаев и его вклад в развитие и становление инженерного дела в Казахстане", г. Жезказган, 4-6 апреля 1999г., на республиканской научно - практической конференции «Состояние и перспективы развития химии и химической технологии в центрально - казахстанском регионе», Караганда, 25 - 26 мая 2000г.
Связь темы диссертации с государственными программами и с планом работы университета. Работа выполнена в соответствии с «Программой
сотрудничества Северо - Казахстанского университета с Национальной Академией наук Республики Казахстан в сфере проведения научно - исследовательских работ, связанных с социально - экономическим развитием региона.», Петропавловск, 2000 г.
В диссертационной работе использованы методы математической статистики и теории нечетких множеств. Эксперименты проводились на лабораторном автоклаве периодического действия с рабочим объемом 0,6 л. Концентрацию цинка в растворе определяли титрометрическим методом, а концентрации железа двух - и трехвалентного - калориметрическим способом. Расчеты проводились с помощью программных продуктов Expmat и MathCad. При компьютерном моделировании, для объекта управления использовали метод решения дифференциальных уравнений Башарина. Программа Expmat и компьютерная модель АСУ выполнены па языке C++.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 научных работ. Из них одна является предварительным патентом на изобретение.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения и приложенші, включает 26 рисунков, 7 таблиц и список использованных источников из 100 наименований.