Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор современного состояния и перспективы производства сухих строительных смесей в задачах жилищного строительства 10
1.1. Сухие строительные смеси и сырьевые материалы для их производства 10
1.2. Современная технология и оборудование для производства модифицированных сухих строительных смесей 15
1.3. Оценка качества и эффективности производства модифицированных сухих строительных смесей 25 Выводы по главе 37
2. Теоретические исследования процесса смешивания сухих строительных смесей на основе информационной энтропии 39
2.1. Анализ теоретических основ процесса смешивания сухих смесей и выбор направления исследования 39
2.1.1. Механизм процесса смешивания 39
2.1.2. Методы исследования процесса смешивания сухих строительных смесей. Влияние физико-механических свойств компонентов на протекание процесса смешивания. Влияние концентрации компонентов на качество смеси 46
2.2. Методы моделирования процесса смешивания сухих смесей 50
2.3. Моделирование процесса смешивания сухих смесей на основе информауционной энтропии 55
2.3.1. Основные положения энтропийного подхода к описанию структурированности сложных систем 56
2.3.2. Описание интенсивности смесительного процесса и определение оптимального времени смешивания на основе информационной энтропии 62
Выводы по главе 68
3. Разработка методики применения информационной энтропии для описания интенсивности смеси тельного процесса и определения оптимального времени смешивания 70
3.1. Обоснование возможности применения информационной энтропии для описания интенсивности смесительного процесса и определения оптимального времени смешивания 70
3.2. Методики применения информационной энтропии для описания интенсивности смесительного процесса и определения оптимального времени смешивания 71
Выводы по главе 83
4. Обоснование конструктивно-технологических и режимных параметров смесителя на основе информационной энтропии 84
4.1. Сравнительная оценка эффективности смесителей на основе информационной энтропии 84
4.2. Направления повышения интенсивности смесительного процесса 86
Выводы по главе 89
5. Опытно-эксперименталльные исследования режима работы смесителей циклического действия 91
5.1. Опытно-экспериментальные исследования режима работы смесителя машиностроительной компании «Вселуг» 91
5.1.1. Интенсивность распределения и оптимальное время смешивания основных компонентов смеси 94
5.1.2. Интенсивность распределения и оптимальное время смешивания добавок 100
5.1.3. Оптимальное время смешивания модифицированной сухой строительной смеси 106
5.1.4. Экономический эффект от применения предлагаемой методи ки оценки оптимального времени смешивания модифицированной сухой строительной смеси 108
5.2. Опытно-экспериментальные исследования режима работы смесителя машиностроительной компании «Стромм» 110
5.3. Сравнительная оценка интенсивности распределения основных компонентов в исследуемых смесителях 117
Выводы по главе 123
Основные выводы и результаты работы 124
Список использованных источников
- Современная технология и оборудование для производства модифицированных сухих строительных смесей
- Методы исследования процесса смешивания сухих строительных смесей. Влияние физико-механических свойств компонентов на протекание процесса смешивания. Влияние концентрации компонентов на качество смеси
- Методики применения информационной энтропии для описания интенсивности смесительного процесса и определения оптимального времени смешивания
- Оптимальное время смешивания модифицированной сухой строительной смеси
Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время широкое распространение получают строительные технологии, основанные на применении модифицированных сухих смесей (смеси с модифицирующими химическими добавками), которые за непродолжительный период времени заняли лидирующие позиции в таких видах работ, как облицовочные, напольные и отделочные.
В условиях растущего потребления и производства модифицированных сухих строительных смесей, росте конкуренции, все более актуальной становится задача повышения эффективности производства при минимальных капитальных вложениях. И какая бы стратегия не была применена для решения поставленной задачи, наиболее важным является обеспечение стабильности свойств сухой смеси при минимальных затратах.
Стабильность свойств сухой смеси определяет, с одной стороны, контроль свойств исходных материалов и своевременная корректировка состава при изменении этих свойств в нормируемом диапазоне, с другой стороны - обеспечение точного воспроизведения лабораторных составов в многотонажном производстве, что целиком зависит от технологической схемы производства, используемого оборудования и отлаженности режимных параметров его работы.
Существующие теоретические и эмпирические модели, описывающие процесс качественного смешивания компонентов в виду отсутствия единых взглядов на суть процесса и единой методики проведения эксперимента не находят применения в производстве сухих строительных смесей для отладки режимных параметров работы смесителей.
В настоящее время в изучение закономерностей образования пространственно-временных структур в системах различной природы: физических, химических, биологических, экономических, социальных и т.д. все более глубоко проникает энтропия, что позволяет говорить об актуальности ее при-
менения и для исследований основных закономерностей процесса смешивания сухих компонентов.
Цель работы. Целью работы является разработка методики описания интенсивности процесса смешивания компонентов сухих строительных смесей на основе информационной энтропии и расчета продолжительности промешивания.
Задачи работы:
провести обзор используемых на предприятиях производящих модифицированные сухие строительные смеси технологий и оборудования для смешивания, методов определения качества смешивания и ограничения продолжительности смесительного процесса, методов моделирования смесительного процесса;
разработать модель смешивания основанную на теории информационной энтропии и алгоритм расчета, позволяющие описать интенсивность смесительного процесса и рассчитать оптимальное время смешивания;
разработать методику проведения эксперимента на промышленных установках по сбору данных для построения функции зависимости энтропии от времени и расчета продолжительности смесительного процесса;
провести практическую апробацию разработанной методики на промышленной установке;
изучить влияние последовательности загрузки компонентов и конструкции лопастей смесителей на интенсивность смесительного процесса и разработать рекомендации по их усовершенствованию.
Объект исследования. Объектом исследований является процесс смешивания компонентов сухих строительных смесей в циклических горизонтальных одновальных смесителях.
Гипотеза. Работа основана на том предположении, что существенное изменение структуры физической системы сопровождается возрастанием потока энтропии от нулевого уровня до максимума в оптимальный момент вре-
мени, после прохождения которого поток энтропии уменьшается и стабилизируется на новом уровне.
Методы исследований. В диссертационной работе использовано математическое моделирование процесса перемешивания компонентов сухих строительных смесей с помощью функции зависимости энтропии от времени. Для проведения исследований была составлена программа на языке FORTRAN. Обработка экспериментальных данных и получение результатов проводилось с помощью ЭВМ.
Научная новтна работы. Научная новизна работы состоит в следующем:
1. В ходе обзора используемых методов определения качества смеси получаемой в процессе смешивания сухих компонентов установлено, что их применение для расчета продолжительности перемешивания является затруднительным.
Разработана модель основанная на теории информационной энтропии, позволяющая описать интенсивность смесительного процесса дисперсных систем и рассчитать оптимальное время смесительного процесса.
Разработана методика практического применения разработанной модели для расчета продолжительности перемешивания.
На основе разработанной методики в ходе экспериментальных работ показано влияние последовательности ввода основных компонентов и добавок, а также конструкции лопастей смесителя на эффективность процесса смешивания.
Практическая ценность работы.
- результаты исследований влияния длительности смесительного процесса на качество смеси в соответствии с разработанной методикой показали возможность ее применения в производстве модифицированных сухих строительных смесей для расчета продолжительности смесительного процесса;
сформулированы рекомендации к проектированию основных параметров смесителей способствующие повышению эффективности процесса смешивания;
результаты исследований выполненные на двух промышленных установках по производству сухих строительных смесей показывают возможность применения разработанной методики для сравнительной оценки эффективности горизонтальных одновальных смесителей циклического действия.
Достоверность полученных результатов. Достоверность работы подтверждается соответствием результатов обработки полученных экспериментальных данных с помощью разработанной методики оценке качества продукта в процессе смешивания.
На защиту выносится* На защиту выносятся следующие результаты работы:
Модель описания интенсивности смесительного процесса и определения оптимального времени смешивания на основе информационной энтропии.
Методика проведения эксперимента на промышленных установках по сбору данных для построения функции зависимости энтропии от времени и расчета продолжительности смесительного процесса.
Методика ввода компонентов сухой смеси в горизонтальный одновальный смеситель работающий в режиме центрифугирования.
Конструкция циклического горизонтального одновального смесителя и режим работы при производстве модифицированных сухих строительных смесей
Апробация работы. Результаты работы прошли апробацию в ООО «Кон-солит», ОАО «Гипсобетон», и на международной научно-технической конференции «Интерстроймех 2006».
Публикации. По работе опубликовано десять статей.
Объемы работы. Работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка литературы, включающего 80 наименований отечественной и за-
рубежной литературы. Общий объем работы составляет 148 страниц машинописного текста.
Современная технология и оборудование для производства модифицированных сухих строительных смесей
Европейские производители сухих строительных смесей и оборудования для их приготовления считают, что мощность завода менее 8 -10 т/ч экономически не целесообразна [3].
Это утверждение вполне обосновано, если учесть, что независимо от того, какую мощность имеет завод, он должен выпускать минимально необходимую номенклатуру смесей того уровня и качества, который определен в государственных стандартах. Этого можно достичь лишь в том случае, если заводская технология предусматривает: - наличие не менее 8 расходных силосов (в некоторых случаях их количество достигает 20), что обеспечивает минимально необходимую номенклатуру смесей и их требуемое качество; - наличие специального смесителя центрифужного типа [4]; - возможность использования сухого песка минимум трех-четырех фракций; - возможность хранения и ввода необходимых доз химических добавок в смеситель; - автоматизированную систему управления производственным процессом, включая при необходимости сушку и рассев на фракции песка или других заполнителей, что исключает воздействие на процесс субъективных или случайных факторов.
С одной стороны, обеспечение указанных выше условий для заводы малой производительности (7 т/ч и менее) приводит к существенному увеличению единовременных затрат и повышению стоимости эксплуатации такого комплекта оборудования. С другой - невыполнение этих условий приведет к невозможности обеспечения нужного качества продукции.
Для России нижний порог производительности завода может быть не сколько ниже из-за меньшей стоимости оборудования и пониженных затрат на его эксплуатацию и энергоносители. Однако без выполнения указанных выше условий создать производство, стабильно выпускающее продукцию на современном качественном уровне представляется невозможным.
Следующая особенность производства сухих смесей в России связана с используемым песком. В месте с тем, что песок необходим нескольких разных фракций с влажностью не более 0,1%, далеко не во всех регионах России такой песок присутствует на строительном рынке, а если сухой песок и может быть поставлен, то не всегда удается полностью исключить попадание в него влаги в процессе транспортировки. Вывод очевиден: обеспечить необходимое качество сухой смеси в этом случае возможно, только если завод включает в себя технологическую линию по подготовке песка, то есть его сушку и рассев по фракциям.
В условиях меняющихся экономических отношений возможным путем удешевления модифицированных сухих строительных смесей может послужить использование местных сырьевых ресурсов и отходов различных производств [5]. Например, при добыче карбонатных пород и дроблении их на щебень образуется 30-35% отсевов. Помол таких отсевов не требует значительных энергетических затрат, так как во фракции 0-5 мм содержаться около 40% тонкодисперсных частиц. Одним из способов снижения стоимости модифицированных сухих строительных смесей является применение полимерных водорастворимых и водонабухающих добавок отечественного производства совместно с тонкомолотыми минеральными наполнителями, технологическая схема такого производства представлена на рис. 1.5
Схема цепей оборудования производства модифицированных сухих строительных смесей широкой номенклатуры: 1- склад песка; 2- система ленточных конвейеров; 3- питатель; 4- сушильный барабан; 5- вибросита; 6- система бункеров для фракций песка; 7- питатели; 8- дозаторы вяжущих, минеральных наполнителей; 9- расходные бункера вяжущих веществ; 10 - винтовой конвейер; 11 - расходные бункера минеральных наполнителей; 12 - пылеулавливающая система; 13 - сушильный барабан; 14 -склад минеральных наполнителей; 15 - промежуточный буккер минеральных наполнителей; 16-дробилка; 17-промежуточный бункер; 18-элеватор; 19-винтовой конвейер; 20 - смеситель сухих смесей; 21 - бункер сухой смеси; 22 -питатель; 23 - фасовочная установка; 24 - бункер химических добавок; 25 - дозатор химических добавок; 26 - транспортер для мешков с сухой смесью; 27 -складирование упакованной сухой смеси; 28 - силосный склад сухой смеси Производительность завода определяется, прежде всего, объемом смесителя.
В общем виде технологический процесс производства ССС состоит из следующих основных операций, представленных на рис. 1.6 в виде схемы цепей оборудования.
Складирование вяжущих веществ (цемента, извести и гипсового вяжущего) осуществляется в силосах.
Песок со склада штабельного типа 1 по подземной галерее системой ленточных конвейеров 2 через питатель 3 подается в сушильный барабан 4. Сушка кварцевого песка производится во вращающемся сушильном барабане при температуре 550...600 С. Остаточная влажность песка после сушки не должна превышать 0,1...0,2 %. После сушки песок подвергается рассеиванию на виброситах 5 с разделением песка на необходимые фракции. Обычно песок разделяют на следующие фракции, мм: 0Д5...0,5; 0,5... 1,2; 1,2...3 мм.
Более крупные и мелкие фракции удаляются в отвалы или утилизируются на месте, а готовые фракции песка направляются и металлические си-лосы (бункеры) 6, где хранятся раздельно по фракциям.
Минеральные наполнители, приготовляемые на месте, проходят ряд технологических операций: хранение 14, дробление 16, хранение в промежуточных бункерах И, 17, транспортирование (элеватор) 18, помол 13, дозирование 8.
С промежуточных бункеров или со склада вяжущие компоненты поступают в расходные бункера 8, а химические добавки в бункер 24 смесительного отделения. Смесительные отделения заводов сухих смесей снабжены автоматическими системами дозирования компонентов 8, 25, работающих по заданным программам. В банке данных компьютеров могут храниться десятки рецептур сухих смесей.
Методы исследования процесса смешивания сухих строительных смесей. Влияние физико-механических свойств компонентов на протекание процесса смешивания. Влияние концентрации компонентов на качество смеси
Процесс смешивания сыпучих материалов является пространственным распределением двух и более компонентов. В производственных условиях основными целями процесса смешивания являются: получение многокомпонентных смесей с заданными свойствами; увеличение поверхности контакта фаз; уменьшение вариации свойств сырья и готовой продукции (усреднение партий) [11]. Для этого необходимо равномерно распределить исходные материалы по всему объему продукта.
Первые теоретические работы по изучению процесса смешивания относятся к 1950-60 годам [44,48,49,50]. В этих работах использовался статистический подход как к самому процессу смешивания, так и к оценке его результатов. Разрабатывались способы статистической обработки результатов экспериментального исследования. После получения статистического материала подбирались те или иные математические зависимости, способные описать кинетику процесса смешивания в тех или иных границах. В указанных первых работах теоретические основы процесса практически не разрабатывались. Начиная с 60-х годов, как отмечает Макаров Ю.И. [19] «стали публиковать результаты работ по моделированию процессов смешивания, в которых используются положения не только теоретической статики, но и теории химических реактивов, случайных процессов, массообмена, автоматического регулирования, теории графов и т.п.»
Имеются публикации в которых содержаться вся информация о работах по перемешиванию в жидких средах. «Сыпучие строительные смеси, состоящие из двух или большего числа компонентов, представляют собой системы, физико-механические свойства которых существенно отличны от свойств жидкой или газовой смеси. Классическое термодинамическое определение, согласно которому компонентом смеси называется множество частиц одинакового химического строения, не имеет, очевидно, применения в теории сыпучей фазы, так как элементарная частица фазы является не элементарной частицей, а зерном, которое может быть конгломератом многих химически индивидуальных веществ» [51]. «Компонент сыпучей строительной смеси - это собрание частиц, одинаково ведущих себя во время динамической операции» [52].
Макаров А.А. [19] дает такое определение процесса, в котором можно видеть и определение качественной смеси: «Под смешиванием принято понимать такой механический процесс, в результате которого первоначально находящиеся раздельно компоненты после равномерного распределения каждого из них в смешиваемом объеме материала образуют однородную смесь».
Джинджихадзе С.Г. определяет конечную цель так; «В идеализированном случае мы должны получить такую смесь, когда в любой ее точке к каждой частичке одного из компонентов примыкают частицы других компонентов в количествах, определяемых заданным соотношением компонентов». [53]
Определение Александровского А.А. [54, 55, 56]: «Смешивание представляет собой случайный процесс, заключающийся в перераспределении компонентов в объеме композиции и предназначенный для приготовления смеси совокупности различных компонентов, случайно расположенных относительно друг друга».
Многие исследователи, приняв случайный характер процесса распределения компонентов, считают, что мерой качества смешивания должны быть параметры, характеризующие распределение случайных величин - концентраций компонентов или других свойств. Чаще всего используются числовые характеристики законов распределения концентраций: дисперсия, корреляционный момент, среднее квадратическое отклонение, коэффициент вариации и др.
Эмих Л.А. [57]: «В пределе, если всю партию смеси отобрать в качестве пробы, любая смесь окажется совершенной, если в качестве пробы взять одну частицу, то все смеси окажутся некондиционными».
Методики применения информационной энтропии для описания интенсивности смесительного процесса и определения оптимального времени смешивания
Оптимальное время смешивания основных компонентов смеси можно определить выявив тот момент в который распределение основных компонентов в объеме смеси является наиболее равномерным, что возможно только при сравнительной оценке нескольких исходов опыта и определении функциональной зависимости между ними в хронометрическом разрезе. Приняв некоторые ограничения, и избрав в качестве характеристики равномерности распределения основных компонентов равномерность плотностей выборок определяемых в ходе лабораторного контроля качества сухой смеси, эту задачу можно решить с помощью теории информационной энтропии.
В расчетах предполагается следующие ограничение: при изъятии п-ного количества проб из общего объема смеси V величина объема пробы имеет постоянную величину v , ограниченную условием V v - , (3.3) п где п - общее количество изымаемых проб, шт. n = k,+k2, (3.4)
Величины к, и к2 представляют собой доли общего количества проб п характеризующихся одинаковыми плотностями, и могут быть определены в соответствии с долями основных исходных компонентов с приближенно одинаковыми плотностями в общем объеме смеси следующим образом к,=п-ц, , (3.5) к2=п.р2, (3.6) ц, + ц2 = 1, (3.7) где р., и ц2 - доли основных компонентов в общем объеме смеси обладающих приближенно одинаковыми плотностями.
Поскольку проба изымается после изъятия некоторого микрообъема смеси характеризующегося постоянной величиной объема v, то справедливо выражение v + v =- (3.8)
Значения величин масс проб т ц также как и значения величин масс микрообъемов смеси т.. не остаются постоянными, что и характеризует корреляцию значений плотности смеси в микрообъемах и пробах ру и р[..
Очевидно, что до начала смесительного процесса, т.е. в момент t=0, в интервалах [і;к,] и [l;k2] величины плотностей проб и микрообъемов равны между собой, и равны плотностям р, и р2 исходных компонентов. Эти условия позволяют определить минимальное значение величины информационной энтропии. Согласно определению информационной энтропии приведенного в главе 2., информационная энтропия имеет минимальное значение равное нулю при полной определенности системы, т.е. в момент когда наше незнание о структуре системы отсутствует, и опираясь на вышеприведенные рассуждения можно с уверенностью констатировать, что система полностью определена до начала смесительного процесса, т.е. в момент t=0, и именно в этот момент информационная энтропия имеет минимальное значение Нтіп(см. рис. 3.1), далее в процессе смешивания будут присутствовать некоторые промежуточные значения информационною энтропии Нтах Нкч Hmjn (см. рис. 3.2), а в некоторый момент времени t = tow система достигнет максимального значения информационной энтропии Н Дсм. рис. 3.3) характеризующего ее полную разупорядоченность, тоесть состояние при котором наше незнание структуры системы достигает положительного экстремума.
Следует заметить, что минимальное значение информационной энтропии в описанном случае определяется долями основных компонентов обладающих приближенно одинаковыми плотностями в общем объеме смеси и общим количеством изымаемых проб, таким образом каждый вид смеси характеризуется строго определенным минимальным значением информационной энтропии. Принять же за минимум информационной энтропии абсолютный нуль мы не имеем права, поскольку каждая изымаемая проба имеет физические параметры характеризующие ее как материальную структуру, а именно объем, массу и плотность. И в этом слачае абсолютно абсурдным являлось бы получение значения вероятности появления какого либо события равным нулю, в частности вероятности появления некоторого конкретного значения плотности в объеме выборки.
Оптимальное время смешивания модифицированной сухой строительной смеси
Для рассматриваемого в данной работе смесительного процесса при производстве клеевой смеси на участке №3 компании Consolit в центрифужном смесителе ВСЕЛУГ Торнадо 1200 КК графическая интерпретация совмещения функций представлена на рис. 5.6.
Как видно из приведенной интерпретации одновременное начало ввода основных компонентов через центральное загрузочное отверстие и добавок через форсунку является целесообразным и обоснованным, поскольку ведет к сокращению общего достаточного времени смесительного процесса до 1,8 минуты (на данный момент время перемешивания составляет 3,5 минуты) за счет более интенсивного распределения добавок в нарастающем объеме смеси и в объеме смесителя. Для перемешивания основных компонентов при котором будет наблюдаться наиболее равномерное распределение вероятностей появления значений плотностей выборок достаточно 1,5 минут.
Согласно рис. 5.8 структура затраты времени на технологические операции имеет следующее распределение: - набор сырья в весовой дозатор - 35%; - выгрузка из дозатора в смеситель - 4%; - перемешивание в смесителе - 22%; - выгрузка смесителя в накопительный бункер - 2%; - фасовка готовой смеси в клапанные мешки - 37%.
Из структуры затрат времени на операции технологического цикла производства сухих смесей наибольший вес имеют операции по набору сырья в весовой дозатор, операция перемешивания в смесителе и операция фасовки готовой смеси в клапанные мешки. Операции по набору сырья в весовой дозатор и операция фасовки готовой смеси в клапанные мешки могут происходить одновременно за счет совмещения их продолжительности с разрывом в 2% от общего времени технологического цикла, в такой ситуации единственным узким местом технологического процесса является процесс смешивания компонентов смеси.
Таким образом продолжительность одного целого технологического цикла с момента набора сырья в весовой дозатор до фасовки готовой смеси в клапанные мешки составляет 13,7-15,9 мин., таким образом при условии отсутствия совмещения времени протекания разнородных технологических операций, в течении 8 часов будет произведено 30-35 замесов, или 36-42 тн. смеси.
Обоснованное сокращение продолжительности смесительного процесса до 1,8 минуты приведет к сокращению одного целого технологического цикла с момента набора сырья в весовой дозатор до фасовки готовой смеси в клапанные мешки до 12,25-14,4 мин., таким образом при условии отсутствия совмещения времени протекания разнородных технологических операций, в течении 8 часов будет произведено 33-39 замесов, или 39,6-46,8 тн. смеси. При этом обоснованное сокращение продолжительности смесительного процесса, и как следствие увеличение производительности технологической линии будет способствовать снижению себестоимости единицы продукта за счет уменьшения удельного веса постоянных затрат в структуре себестоимости.
Входе проведения экспериментов на промышленной установке по производству сухих строительных смесей ОАО «Гипсобетон», были получены экспериментальные данные лабораторного контроля качества сухой смеси представленные в таблице 5.10. В данном эксперименте проводился замер интенсивности распределения только основных компонентов, при этом была принята следующая закономерность ввода компонентов; сначала в рабочий смеситель подавался гипс, а затем песок, в тот момент когда весовая емкость полностью опорожнялась начинался замер времени смесительного процесса основных компонентов.
В таблицах 5.11, 5.12, 5.13 приведен расчет фактических величин информационной энтропии для разных исходов эксперимента замера удельного веса проб при варьировании длительностью смесительного процесса, а в таблице 5.14 представлен расчет приведенных величин информационной энтропии.
Используя алгоритм согласно представленной блок-схеме удалось определить коэффициенты интенсивности процесса а=1,45 и р=0,73 описывающие интенсивность распределения основных компонентов в объеме смеси. При этом зависимость информационной энтропии от времени принимает следующий вид H(,).-Jil±fltl-4S bf- (K1.45 )V(1-e-)4 -i -(l-.- ) 1+1.451п2 1.45 U+1-45 ) " U+1.45 На рис. 5.8 и рис. 5.9 приведен график зависимости информационной энтропии от времени смешивания для процесса распределения основных компонентов в объеме смеси, согласно этой зависимости оптимальное время смешивания при котором достигается наилучшее распределение основных компонентов составляет 2,5 мин.
