Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса и задачи исследований . 12
1.1. Анализ качества продукции микробиологической промышленности (ПМП) 12
1.2. Состояние технического уровня качества оборудования отрасли 19
1.3. Аппараты с кольцевыми и секторными тарелками (ТКС) для производства ПМП как объект управления 32
1.4. Обоснование системы управления качеством тарельчатых колонных аппаратов .. 43
1.5. Обзор литературных и производственных данных по оценке уровня качества тарельчатых колонных аппаратов 47
1.6. Задачи исследований 56
Глава 2. Экспериментальная оптимизация функциональных параметров и точности колонного аппарата с ТКС . 58
2.1. Разработка методики и средств экспериментального метода оптимизации 58
2.2. Определение оптимального отклонения от плоскостности контактного устройства . 76
2.3. Определение оптимальных функциональных параметров и отклонения от горизонтальности контактного устройства ,, 82
Глава 3. Штимизация функционального допуска на отклонение от горизонтальности контактных устройств колонных аппаратов с ТКС 102
3.1,. Моделирование отклонения от горизонтальности по эффективности работы контактного устройства 102
3.2, Методика расчета оптимального допуска на отклонение от горизонтальности по функциональным свойствам работы контактного устройства 109
3.3, Методика расчета оптимального допуска на отклонение от горизонтальности по функциональным свойствам работы контактных устройств 119
Глава 4. Теоретическая оптимизация производственного допуска на отклонение от горизонтальности контактних устройств 137
4.1. Исследование производственной точности тарельчатого колонного аппарата 137
4.2. Методика расчета оптимального производственного допуска на отклонение от горизонтальности контактного устройства теоретико-вероятностным методом 148
4.3. Методика расчета оптимального производственного допуска на отклонение от горизонтальности контактного устройства работой по формуляру 156
Глава 5. Методика стандартизации к0л0нннх аппаратов с контактными устройствами 171
5.1. Предпосылки унификации конструктивных модификаций ситчатой тарелки 171
5.2. Разработка математической модели оптимизации унифицированных элементов тарелки 175
5.3. Стандартизация автоматизированного решения задачи по комплексному определению функциональных параметров и допусков тарельчатых аппаратов 186 Результаты внедрения 193
Выводы 195
Литература
- Состояние технического уровня качества оборудования отрасли
- Определение оптимального отклонения от плоскостности контактного устройства
- Методика расчета оптимального допуска на отклонение от горизонтальности по функциональным свойствам работы контактного устройства
- Методика расчета оптимального производственного допуска на отклонение от горизонтальности контактного устройства теоретико-вероятностным методом
Состояние технического уровня качества оборудования отрасли
В настоящее время технологический процесс получения ПМП ведется в машинных комплексах. Они представляют собой систему машин (ферментеров), снабженных обслуживающими их агрегатами, оборудованием и средствами автоматизации производственного процесса.
Технический уровень комплекса и качество получаемого ПМП зависят от эффективности работы узла ферментации (см, раздел 1,1). Он состоит из нескольких (3-5) последовательно соединенных ферментеров марки Б-50 или АДР-76, в которых для повышения эффективности технологического процесса применяются турбинные мешалки. Конструкция ферментера показана на рис.1,4,
Оценку состояния технического уровня качества машинного комплекса с позиции функционирования, экономичности его изготовления и эксплуатации можно провести посредством анализа функциональной структуры материальной части комплекса, воспользовавшись моделью в виде графа (рис.1.5). В таблице 1.3 дано описание функций элементов и функциональных связей (механических и энергетических) ферментеров с механическими перемешивающими и теплообменными устройствами.
Анализ взаимодействия элементов ( ) машинного комплекса с продуктом (У ) показывает, что с учетом принятой технологии (раздел 1.1) данные агрегаты не способствуют повышению качества выпускаемой продукции (рис.1.2). Причинами этого являются: нестабильность температурного режима, налипание массы на механические перемешивающие устройства, появление застойных зон, "проскок" неиспользованных питательных веществ среды..
Нестабильность температурного режима возникает из-за использования в отрасли ферментеров открытого типа с негерме-тизированными люками (рис.1.4).
Налипание массы является свойством принятого процесса перемешивания и характеризуется природой сцепления массы с материалом мешалки. Оно зависит от геометрии перемешивающего устройства и параметров режима технологии. Налипание приводит к постепенному снижению качества продукта из-за нарушения состояния процесса и попаданий в биомассу пораженной продукции, содержащей мертвые микроорганизмы. Следствием этого - параметрические отказы установки в связи с низким качеством продукта (рис.1.4, рис.1.5, табл.1.3, \i- ).
Появление застойных зон и "проскок" неиспользованных питательных веществ приводит к осаждению и автолизу биомассы, что резко снижает качество и выход продукта, из-за недостаточного смешения сырья и питательной среды в связи с малой скоростью вращения мешалок (рис.1.4, рис.1.5, табл.1.3,/ .,.,).
Получаемая в машинных комплексах продукция имеет следующие показатели качества: содержание белка не превышает 50%, а зольность доходит до 50%.
Механические связи определяют взаимодействие деталей агрегатов. Они показывают, что происходят частые поломки элементов комплекса из-за недостаточной статической и усталостной прочности. Это приводит к снижению надежности и долговечности работы аппаратов в связи с трением и износом элементов машинного комплекса (рис. 1.4, рис. 1.5, табл.1.3,/і.у ,///- ). Анализ механических связей выявил некомпактность, повышенную металлоемкость данного оборудования.
Сложность, высокая точность изготовления и монтажа (рис, 1.4, рис.1.5, табл.1.3) основного (турбинные мешалки, подшипниковые узлы валов и др.) и вспомогательного оборудования связаны с большими трудозатратами (они составляют до 50% от суммы капитальных затрат).
Анализ энергетических связей показывает, что процесс получения ПМП в машинных комплексах- энергоемкий (на производство 1 кг продукта затрачивается более 3 кВт Ч электроэнергии). Энергия расходуется (рис.1.3, рис.1.4, рис.1.5, табл.1.3, Гц , 3 , #3-2 ) на проведение технологического (рис.1.4, рис.1.5, табл.1.3,#і«/,/J-J ) процесса (до 40%) и на осуществление (рис.1.4, рис.1.5, табл.1.3,/у,у , /J./.f,/}/.$) механических (до 60%) связей (поступательных, вращательных, гидромеханических и др.). Энергетические затраты составляют (рис.1.3) до 60% от суммы капитальных затрат.
К недостаткам следует также отнести: - высокая себестоимость продукции; - сложность автоматизации производственного процесса в данных ферментерах; - продолжительность технологического процесса получения ПМП. Наибольшая производительность машинного комплекса 50 т продукта в сутки,
Определение оптимального отклонения от плоскостности контактного устройства
Техническая характеристика оборудования опытно-промышленного стенда Высота аппарата, м - Диаметр аппарата, мм - 600 Диаметр тарелки, мм - 600 Количество рабочих секторов: кольцевой тип, шт. - 4 секторный тип, шт. - 3 Диаметр отверстия тарелки, мм - 2,3 Число тарелок, шт. - 6 Межтарельчатое расстояние: кольцевой тип, мм -500 секторный тип, мм - 1000 Свободное сечение тарелки, % -7 Высота сливной перегородки, мм регулируется 0 - 200 Насос ЗК-6А производительностью, м /ч - 40 развивает напор, м - 41 Компрессор развивает давление, ати - 3
Технологический процесс получения продуктов микробиологического синтеза очень сложен. Применение при экспериментальных исследованиях натурных сред не дает сопоставимых результатов и обходится очень дорого.
Поэтому для определения гидродинамических и массообмен ных характеристик оборудования целесообразно проводить испы тания на модельной среде: раствор сульфита натрия в воде -воздух, позволяющей оценить производительность оборудования и расчитать необходимые технологические параметры процесса. v Для сопоставления натурной и модельных сред были прове дены предварительные испытания на тоядестйенность систем.
При натурных испытаниях определялась основная характе ристика системы. - продуктивность II (кг АСВ/м ч), а при модельных - скорость сорбции кислорода (сульфитное число)М(кг02/мч) Сопоставление проводилось для разных технологических параметров процесса. Из рис.2.6 видно, что натурная и модельная среды адекватны и имеют соотношение: Процент ошибки при определении адекватности сред был равен Ь% - незначителен. Применение модельной среды позволило провести экспериментальные исследования при минимальных затратах. Влияние отклонения от плоскостности полотна ситчатой тарелки изучалось на опытно-промышленном стенде с тарелками кольцевого типа. Всего было проведено 2 серии опытов, В серии 1 (рис.2.7 и рис,2.8) исследовалось влияние отклонения от плоскостности на гидродинамику, а в серии П (рис,2.9 и рис.2.10) на массопередачу,
В эксперименте изучалось влияние места расположения отклонения от плоскостности, величины ее, направление отклонения и величины площади занятой ее.
Для ситчатой тарелки кольцевого типа МОЕНО сделать вывод,-что место располокения отклонения от плоскостности (в начале, в центре или в конце тарелки) не имеет принципиального значения. Это происходит в связи с тем, что поток газокидкостного слоя кольцевой тарелки движется по руслу одинаковой ширины.
Отклонение от плоскостности полотна распространяется на величину радиуса колонны. В свзи стем, что кольцевая тарелка і V формируется из последовательного набора различных секторов, то отклонение от плоскостности тарелки данного типа может рассматриваться, как отклонение любого из секторов над или под всеми остальными. На рис.2.7 и рис.2.8 видно, что отклонение от плоскостности тарелки отрицательно сказывается на гидродинамических показателях cm Наиболее неблагоприятным оказывается отрицательное отклонение. Отрицательное отклонение на 7,7 мм увеличивает величину статического столба жидкости (на опущенном участке) на 33-36%, а отклонение 3,5 мм на 12-15%. На плоских участках при отклонении на 7,7 мм статический уровень уменьшается на 30-35%, а при 3,5 мм на 15-18%. Общий градиент газожидкостного слоя по длине тарелки составлял более 60% при отклонении на 7,7 мм и более 30% при отклонении на 3,5 мм.
Положительное отклонение от плоскостности (рис.2.8) оказывает обратное воздействие на величину статического столба газожидкостного слоя плоских секторов.
При поднятом секторе на величину 7,7 мм статический уровень снижался на 30%, а при 3,5 мм на 15%. На плоских секторах возрастает уровень столба газожидкостного слоя: при отклонении 7,7 мм на 25%, а 3,5 мм на 10%. Общий градиент статического уровня по длине тарелки составлял 50-55%.
При увеличении площади отклонения от плоскостности полотна резко возрастает неравномерность работы тарелки. Общий градиент по длине тарелки достигал 100%.
Во всех опытах отклонение от плоскостности на - 2 ым не вызывало каких либо изменений статического столба газожидкоет— ного слоя и испытуемая тарелка работала как плоская,
Методика расчета оптимального допуска на отклонение от горизонтальности по функциональным свойствам работы контактного устройства
Методически оправданным является способ определения уровня эффективности процесса ( а следовательно и коэффициента пропорциональности ) путем оценки погрепшости расчета тарельчатых колонных аппаратов. Этот способ должен применяться совместно специалистами, работающими в области химической технологии,и конструкторами, проектирующими аппаратуру с применением теории адаптивного управления 31,32"} .
Если значения коэффициентов к и Р известны точно,то легко строится алгоритм,обеспечивающий достижение цели управления (идеальный закон управления).который задается уравнением (З.ІІ).
Однако часть факторов,от которых зависят параметры объекта, недоступна непосредственному изменению. Некоторые факторы могут меняться во времени неизвестным заранее образом. Поэтому реальным технологическим процессом приходится управлять в условиях неопределенности, когда идеальным законам управления воспользоваться нельзя. Частично устранить неопределенность можно,проведя специальные испытания в производственных условиях, однако высокие темпы проектирования и ввода в действие промышленных установок обычно исключают и эту возможность.
Средством решения задач,подобных описаной является применение адаптивных систем управления [32] . В адаптивных системах используется закон управления с переменными коэффициентами. Изменение коэффициентов осуществляется специальным алгоритмом 32] (алгоритм адаптации) на основе текущей информации о состоянии процесса, получаемой в ходе нормальной эксплуатации установки. Алгоритм адаптации строится так,чтобы приспособиться к конкретной ситуации и обеспечить достижение цели управления при любом возможном значении неизвестных параметров объекта. имеющаяся начальная информация оказывается недостаточной для построения объекта с высокими качественными показателями и приходится восполнять информацию в процессе функционирования объекта. Адаптивный подход к построению системы управления оказывается оправданным в условиях нестационарности характеристик объекта и среды.
В действительности функционирование объекта происходит в условиях помех,обусловленных неточностью математической модели процесса, действием неконтролируемых возмущений, а также ошибками измерений.
Поэтому более выгодным является поручать системе управления (ЭЦВМ) сбор и обработку информации в процессе функционирования и регулировку технологических параметров (рис.3.2) в пределах изме нения,которые характеризуют область применения математической модели процесса.
Адаптивное управление может применяться и на стадии монтажа тарельчатых колонных аппаратов (рис. 3.3 ликвидацией отрицательного влияния отклонения от горизонтальности работой по формуляру (раздел 4.3).
Назначение допусков в действующих технических условиях преимущественно выполнено, исходя из технологических возможностей предприятия и решения вопросов размерной взаимозаменяемости по геометрическим параметрам,без учета функциональной способности. Практика создания и эксплуатации аппаратов указывает на необходимость установления таких допусков не только из технологических возможностей,но прежде всего с учетом влияния их на эксплуатационные показатели для обеспечения высокого качества товарного продукта и эффективности работы.
Как было показано (раздел 2.3) для ситчатой тарелки кольцевого типа характерным является наличие градиента жидкости по длине тарелки,который существенно влияет на эффективность функционирования тарелки. Ликвидация его возможна применением мас-сообменных аппаратов с диспергирующими тарелками [з] . Но более экономичный путь - применение многосекторных тарелок,разделенных между собой сливными карманами. Такое решение приводит к ликвидации продольного (по длине тарелок) градиента жидкости .
Методика расчета оптимального производственного допуска на отклонение от горизонтальности контактного устройства теоретико-вероятностным методом
На основании теоремы А.М.Ляпунова теории вероятностей можно считать, что полная технологическая погрешность подчиняется нормальному закону, с математическим ожиданием, равным нулю. Суммарная погрешность (векторная величина) отклонения от горизонтальности слагается из двух векторных погрешностей: технологической &г и монтажно-эксплуатационной Л те (рис. 4.4). для каждого конкретного положения суммарный вектор равен А г = &+Ът.
Это уравнение можно решить, если знать угол между векторами Р. Каждый из этих векторов может занимать случайное,любое положение, а угол Р может быть любым в пределах от 0 до 23Ґ. Поэтому величины Д у и Дтє суммируются по правилу теории вероятностей. Зависимость Д& от UY И ОШЕПОЗВОЛИТ получить функцию распределения суммарного отклонения от горизонтальности тарелки как случайной величины и уравнение связи.
Пусть тарелка первоначально занимает горизонтальное положение (рис. 4.5). На стадии сборки колонны она повернулась вокруг горизонтальной осиУ-[У 2 на Угол ft от технологических факторов. Тогда в результате этого поворота на угол ft перепад экстремальных точек на окружности тареліш вдоль образующей цилиндра составит величину
От воздействия монтажно-эксплуатационных факторов тарелка поворачивается на малый угол %ь но уже вокрут оси 1 /2 , которую из-за малости утла можно считать лежащей в горизонтальной плоскости. Поворот на угол Чгаеимеет место при невертикальной установке колонны на фундаменте. Монтажная погрешность определяется выражением:
На основании обработки статических замеров отклонения от горизонтальности тарелок на стадиях изготовления и монтажа колонн и численное интегрирование функций для широкого спектра значений ее аргумента, на основании работы [з,6з] , можно установить замечательное свойство, смысл которого заключается в следующем: если функция принмает значение 0,00357, то параметр Ц равен Ц6 (правило четырех сигм).
или с вероятностью 0,99643 суммарное отклонение от горизонтальности не превышает удвоенной суммы среднеквадратических отклонений технологической ж монтажно-эксплуатационной погрешностей. Тогда уравнение связи имеет вид
Функция цели (4.2) является сепарабельной функции пяти переменных, где каждое слагаемое имеет положительное значение второй производной. На множестве переменных (4.5), функция (4.2) является выпуклой, как сумма выпуклых функций.
Если функциональный допуск рассчитан по функциональным свойствам работы (раздел 3.2) контактного устройства, или когда суммарная погрешность превышает функциональный допуск (US IF), ИЛИ допуска, рассчитанные теоретико-вероятным методом неудовлетворяют требованиям качества товарного продукта, или нет возможности достижения заданной точности на стадиях изготовления, монтажа и эксплуатации, тогда целесообразно применить метод регулирования (управления) положения колонны при монтаже работой по формуляру. По данной методике фиксируются направления и количественные значения отклонения от горизонтальности тарелок и величина их функционального допуска на стадии производства колонного аппарата. Фиксированные значения сводятся в таблицу (формуляр), которая и легла в основу названия метода.
Все тарелки, при установке колонны на фундамент, получают суммарное отклонение от горизонтальности, которое контролируется функциональным допуском, для точного назначения монтажного и эксплуатационного допусков с учетом технологических погрешностей, занесенных в формуляр, строится область А допустимых отклонений аппарата в пространстве (рис. 4.6). При определенной методике (алгоритм которой приведен ниже) внутри данной области выделяется круг с радиусом Кmin, центр г которого характеризует наибольшую точность положения тарелок по высоте аппарата.
