Содержание к диссертации
Введение
1. Процессы и аппараты гранулирования суспензий мокрого размола шихты твердых сплавов в установках замкнутого цикла 15
1.1. Применение гранулированных материалов в современном производстве 15
1.2. Методы и аппараты гранулирования суспензий твердых сплавов 18
1.2.1. Общие принципы гранулирования суспензий 21
1.2.2. Установка гранулирования суспензий твердых сплавов методом распылительной сушки 24
1.3. Особенности динамики тепломассообменных процессов при распылительной сушке суспензий 25
1.4. Проблемы и задачи синтеза систем управления установками замкнутого цикла 31
1.4.1. Общие принципы построения систем управления установками замкнутого цикла 34
1.4.2. Особенности управления динамическими системами 35
1.4.3. Микропроцессорные системы автоматического управления 38
1.4.4. Синергетический подход к проблемам синтеза систем управления 39
1.4.5. Устройства системы управления процессом гранулирования суспензий твердых сплавов методом распылительной сушки 44
2. Математические модели динамики тепломассообменных процессов в установке гранулирования суспензий замкнутогоцикла 49
2.1. Разработка математических моделей тепломассообменных процессов в теплообменных аппаратах установки гранулирования суспензий твердых сплавов 49
2.1.1. Разработка математической модели процессов в сушильной камере 51
2.1.2. Разработка математической модели процессов в газонагревателе 56
2.1.3. Разработка математической модели процессов в теплообменнике вода - спирт 59
2.1.4. Разработка математической модели процессов в скруббере - конденсаторе 61
2.2. Общая математическая модель тепломассообменных процессов сопровождающих гранулирование суспензий 66
2.3. Построение имитационной модели тепломассообменных процессов в установке замкнутого цикла 70
2.4. Методы анализа областей устойчивости нелинейных систем 76
2.5. Разработка метода анализа областей устойчивого движения нелинейных динамических систем 78
3. Элементы и устройства системы управления процессом гранулирования суспензий твердых сплавов 86
3.1. Оптимизация технических средств управления 86
3.2. Оптимизация технологической схемы установки гранулирования 87
3.2.1. Введение управляемых обратных связей в технологическую схему установки замкнутого цикла 87
3.2.2. Оценка повышения эффективности работы установки при введении технологических обратных связей 96
3.3. Разработка устройств системы управления процессом гранулирования в сушильной камере 100
3.3.1. Исходные положения к разработке 100
3.3.2. Разработка устройств управления газовыми потоками в сушильной камере 103
3.4. Результаты применения устройств управления процессом гранулирования суспензий 107
3.5. Выводы 110
Заключение 112
Список используемой литературы 114
Приложение 1
- Методы и аппараты гранулирования суспензий твердых сплавов
- Общая математическая модель тепломассообменных процессов сопровождающих гранулирование суспензий
- Оптимизация технологической схемы установки гранулирования
- Разработка устройств управления газовыми потоками в сушильной камере
Методы и аппараты гранулирования суспензий твердых сплавов
В процессе производства твердых сплавов в качестве сушильных аппаратов применяются паровые дистилляторы [90]. Смесь нагревают до температуры 90 - 120С, пары спирта отводятся в холодильник, где они конденсируются. Сконденсированный спирт повторно используется снова в производственном цикле [22, 45].
Для исключения окисления смеси твердых сплавов дистиллятор герметизируют.
В отечественной практике применяются дистилляторы двух типов -горизонтальные полочные, в которых смеси сушатся в лодочках, и вертикальные - с непосредственным заполнением смесью рабочего объема [49, 68]. Второй тип дистилляторов имеет перемешивающее устройство для ускорения процесса сушки и более равномерного ее просыхания.
В 80-е годы некоторые иностранные фирмы, выпускающие изделия из твердых сплавов, внедрили прогрессивный метод-сушку смесей распылением [88].
Сам метод не является новым [8, 11, 48]. Его широко используют при производстве пищевых и химических продуктов для испарения влаги (или другого растворителя) из растворов и суспензий с целью получения порошкообразного или гранулированного продукта.
Предварительно шихту твердых сплавов размалывают в спиртовую суспензию, обычно в барабанных шаровых мельницах [117, 119].
Высушиваемый материал диспергируют в объёме СК с помощью специальных устройств (вращающихся дисков, форсунок, сопел) [22].
Необходимую для высушивания энергию подводят газообразными теплоносителями (продуктами горения топлива, нагретый воздухом, перегретым паром и т.д.).
Интенсивность ТМО в распылительных сушилках весьма велика вследствие развитой поверхности диспергированных частиц [12, 25].
По способу диспергирования высушиваемого продукта сушильные установки могут быть с дисковым, пневматическим или гидравлическим (струйным) распылом [63, 64].
При первом способе диспергируемый продукт подается из емкости на вращающийся с большим числом оборотов диск, имеющий лопасти или окна.
Диск разбивает поток материала на отдельные струи, которые под действием центробежной силы сбрасываются с диска в пространство СК и попадают в вихревой поток сушильного газа, превращаясь в мелкие капли, подверженные воздействию температурного поля [101, 105]. Во втором способе продукт диспергируется при помощи воздуха (или газа), подаваемого под высоким давлением в сопло (форсунку пневматического типа).
Подаваемый в это сопло продукт подхватывается струёй воздуха, и диспергированные его частицы высушиваются сушильным газом, подводимым
в камеру сверху или снизу, или тангенциально. Возможны также комбинированные способы подачи сушильного газа. При третьем способе диспергирование продукта, подаваемого насосом высокого давления, производится механической центробежной форсункой при давлении 30-200 атмосфер [63].
В зависимости от свойств высушиваемого материала, технологических требований к получаемому продукту и других факторов, общие схемы компоновки сушильных установок могут быть самыми различными [12, 64]: - с форсуночным распылением и вводом теплоносителя через газораспределительную решетку или тангенциально (комбинированно); - с форсуночным распылением и равномерным вводом через газораспределительную решетку; - с дисковым распылением и вводом теплоносителя прямотоком; - с пневматическими форсунками и закручиванием теплоносителя; - с форсуночным распылением и противоточным движением теплоносителя; - с форсуночным распылением и комбинированным движением теплоносителя; - с дисковым распылением и комбинированным движением теплоносителя; - с форсуночным распылением и смешанным движением теплоносителя. По размерам СК распылительных установок могут сильно отличаться друг от друга. Так, они могут быть малогабаритными лабораторными или крупными сушильными камерами. Размеры рабочего пространства СК определяются расчётным путем и проверяются экспериментально. В Европе одними из ведущих фирм в области создания распылительных сушильных установок (РСУ), являются фирмы «Ниро Атомайзер» и «Ангидро» (Дания) [88].
На мировом рынке пользуются широкой известностью распылительные установки фирмы «Ниро Атомайзер». Эта фирма выпускает установки, предназначенные для сушки таких продуктов, как: кофе, молоко, мясной бульон, кормовые дрожжи и многие другие продукты.
Сравнение показателей различных установок при производстве одного и того же продукта показывает, что увеличение производительности может быть достигнуто путем правильного выбора способа распыления, параметров сушки и конструкции [3, 79].
Значительные преимущества способа сушки распылением перед другими способами сушки растворов, суспензий и паст позволили зарубежным фирмам испытать и внедрить этот способ в порошковой металлургии на операции сушки смесей после мокрого размола. Крупные шведские фирмы «Сандвик Коромант» и «Фагерста», выпускающие твердосплавные изделия, буровой и режущий инструмент, оснащенный твердыми сплавами, внедрили на этой операции РСУ фирмы «Ниро Атомайзер» (Дания) [88].
Положительный опыт эксплуатации этих установок и получение на них однородного гранулированного продукта высокого качества ставят перед отечественной твердосплавной отраслью промышленности задачу освоения метода сушки распылением и внедрения на наших заводах промышленных отечественных и импортных распылительных установок.
Задача эта осложняется тем, что в отечественной практике в качестве пластификатора применяется раствор каучука в бензине, вводимый в смеси для получения гранул перед прессованием. Раствор каучука в бензине имеет большую вязкость и клейкость, не считая его пожаро- и взрывоопасность, что делает почти невозможным применение его в технологическом процессе сушки распылением. Иностранные фирмы в качестве пластификатора применяют
Общая математическая модель тепломассообменных процессов сопровождающих гранулирование суспензий
На основе предложенных математических моделей ТА построена ММ системы замкнутого цикла с учетом перепадов давлений на вентиляторах, насосе и введения заслонок, как местных сопротивлений в магистралях системы.
Для правильной эксплуатации вентиляторов или насосов при функционировании установки гранулирования необходимо знать, как изменяются основные их параметры в различных условиях работы. Важно иметь сведения об изменении напора или перепада давления, расхода мощности и КПД при изменении расхода вещества через рассматриваемое устройство. В технике принято такие зависимости представлять в виде графиков, которые характеризуют взаимное изменение основных параметров.
Основной характеристикой считают зависимость напора или перепада давления от расхода, так как расход мощности и КПД является следствием подачи среды и напора, которые собственно и являются целью применения насосов и вентиляторов [100].
Напорная характеристика представляется параболической зависимостью:где а, Ь, с - коэффициенты напорной характеристики, которые вычисляются по следующим формулам:
Графически напорная характеристика вентилятора представлена на рис. Так как ветви параболы направлены вниз, получаем:
Рис. 12. Напорная характеристика вентилятора или насоса: Риз - избыточное давление; Рм - максимальный напор; Р0 - начальный напор;
Мм - расход среды при максимальном напоре; М - расход среды.
В результате, полученные ММ теплообменных аппаратов и дополнительных устройств, построенные в терминах «вход-выход» отражают все функциональные зависимости каждого объекта, входящего в общую систему и существенно облегчает построение математической модели процессов в УГС, как в технологической системе замкнутого цикла.
Предварительно вложив уравнения ТА друг в друга и выполнив арифметические действия, получаем общую ММ системы замкнутого цикла.
Математическая модель ТМО процессов, сопровождающих гранулирование суспензий твердых сплавов, включая контур газа и контур спирта, может быть представлена следующей системой уравнений.
На основе математической модели системы замкнутого цикла построена имитационная модель. Модель, разработанная с использованием пакета прикладных программ имитационного моделирования Vissim 4.5, позволяет оценить динамические характеристики процесса гранулирования суспензий твердых сплавов, как во всей установке гранулирования в целом, так и в каждом теплообменном аппарате по отдельности. Исследуемыми динамическими характеристиками являются: первичные показатели качества и устойчивость системы.
Возможность воспроизведения взаимодействия ТА установки гранулирования позволяет описать функционирование модели реальной системы с сохранением порядка поступления и характера всех событий в УГС.
Для построения имитационной модели процессов в УГС использовались технические характеристики функционирующей установки гранулирования КЗТС и отдельных аппаратов УГС, которые представлены в Приложении 1.
Результаты расчета основных параметров используемых в ММ теплообменных аппаратов и установки в целом приведены в Приложении 2.
На рис. 13 представлена имитационная модель процессов в СК, построенная на основе технических характеристик (пункт 2.2.1), описывающая поведение системы в начальный момент прогрева СК. На рис. 14 представлена имитационная модель процессов в СК с учетом процесса распыления.
Оптимизация технологической схемы установки гранулирования
Основным аппаратом установки гранулирования суспензий является сушильная камера. В начальный момент времени в СК подается газ высокой температуры. При подаче суспензии в камеру температура газа резко падает, что приводит к снижению интенсивности сушки. В результате, распыляемые частицы не успевают высохнуть и налипают на стенки камеры. Наряду с этим, в естественных условиях, на значительной части траектории движения частицы сушка происходит при малой относительной скорости частиц.где а- коэффициент теплообмена между средой и материалом, tcM -температурный напор между средой и материалом, г - удельная теплота испарения влаги, I - интенсивность сушки, с, р- удельная теплоемкость и плотность влажного тела, R v - отношение объема тела к его поверхности.
Чтобы увеличить интенсивность сушки необходимо повысить теплообмен с греющей средой. Это можно сделать в первую очередь за счет увеличения температуры газа и во вторую - за счет увеличения коэффициента теплообмена а.
Для увеличения температуры газа в момент начала распыления, предлагается ввести обратную связь по газонаргевателю через распределительную заслонку. Схема перераспределения потоков газапредставлена на рис. 23.Рис. 23. Схема перераспределения потоков газа с введенной обратной связью через заслонку, представленную коэффициентом усиления К1.
Заслонка перераспределяет потоки газа в соответствии с ее положением. Представим теплообменный аппарат апериодическим звеном,кTs + 1передаточная функция которого описывается уравнением: F(s) =
Введя обратную связь через заслонку, представленную коэффициентом К1, с первоначальным её значением 0,3 и через 40 сек. меняя коэффициент К1 с 0,3 до 1 на выходе, что соответствует открытию заслонки, получаем увеличение выходного сигнала Y на некоторую величину. Результат представлен на рис. 24, при входном сигнале X.
Реакция на такое управляющее воздействие показывает, что инерционный объект трансформируется в дифференцирующий объект, что значительно повышает его быстродействие.
В соответствии с функциональной схемой установки гранулирования суспензий твердых сплавов, охватываем обратной связью газонагреватель и вентилятор, который имеет нелинейную характеристику. Поэтому расход газа на выходе пересчитывается с учетом перераспределения давлений в замкнутом локальном контуре. Основные расчеты выполнены в соответствии со схемой представленной на рис. 25.
Рис. 25. Схема перераспределения потоков газа с введенной обратной связью через заслонку, представленную коэффициентом усиления К1, с учетом вентилятора и теплообменного аппарата.Расход на выходе в свою очередь вычисляется как:где К1 - местный коэффициент сопротивления на входе заслонки.Напорная характеристика вентилятора описывается уравнением:где Мі - промежуточный расход или расход на выходе газонагревателя; а, в, с -коэффициенты напорной характеристики. Из расчетной схемы перепад давления на вентиляторе равен АРВЕН = Р - Рвх . В результате преобразованийполучаем:91 Промежуточный расход или расход по обратной связи, необходимый для расчета выходного расхода данной системы, определяется как:М2=М1-МВЫХ. (3.6)
При этом входной расход равен: МВХ=М,-М2. (3.7) Для расчетов введем промежуточную переменную Pi - давление на входе вентилятора, тогда расход на входе системы будет рассчитываться по следующей формуле: где 2 - коэффициент сопротивления соединения трубопровода. После введения промежуточной переменной уравнение (3.5) перепишем в виде: Выразив из уравнения (3.8) Pi и подставив его в уравнение (3.9), получим давление на выходе газонагревателя, которое включаем в уравнение (3.2). В итоге расход газа на выходе предложенной системы с обратной связью вычисляется по формуле: Здесь Рвх - давление газа на выходе скруббера, а Рвых - давление на входе в сушильную камеру. Моделируя рассчитанную схему с обратной связью по вентилятору и газонагревателю, представленного апериодическим звеном, при единичном входном сигнале получаем выходной сигнал следующей формы, представленной на рис. 26. Рис. 26. Выходной сигнал системы и реакция на открытие заслонки. В результате замены расхода газа в математической модели газонагревателя (пункт 2.2.2, уравнение 2.24) на расход, пересчитанный по предлагаемой схеме с учетом положения заслонки, получаем, что температура газа в газонагревателе меняется в зависимости от положения заслонки.
Разработка устройств управления газовыми потоками в сушильной камере
На сегодня, наиболее известной является сушильная распылительная установка фирмы «Ниро Атомайзер», содержащая вертикальную цилиндрическую камеру, разгрузочный конус, штангу с форсункой, расположенную в нижней части камеры, верхний вихревой ввод сушильного газа и трубопровод для выхода отработанного газа, расположенный под форсункой.
Недостатком установки является низкая эффективность процесса и большие габариты камеры.
Известно, что для устранения недостатков, согласно авторскому свидетельству [65], предлагалось ввести в установку замкнутого цикла коллектор кольцевой 5, для отвода влажного газа из камеры, сужающийся патрубок газоподвода 6, расположенный под форсункой, горизонтальный и вертикальный патрубки 7, 8 устройства газораспределительного, регулирующую заслонку 11 и контртело 4, которое установлено по оси патрубка сужающегося. Технологическая схема СК представлена на рис. 36.
На основании этого, представляется возможным: - сжать факел распыла за счет взаимодействия восходящего и рециркулирующего потоков газа; - уменьшить диаметр камеры за счет сжатия факела распыла; - увеличить тепловой напор между сушильным газом и диспергированным продуктом на восходящей части траектории за счет увеличения скорости движения сушильного газа в полости камеры в результате его рециркуляции и сжатия факела распыла восходящим и рециркулируюшим потоками сушильного газа; - уменьшить налипание влажных продуктов на дно и стенки камеры; - снизить удельные энергозатраты на испарение влаги за счет увеличения теплового напора и скорости движения сушильного газа в полости камеры. Однако известно, что движение газа в цилиндрической камере осуществляется по тороидальным траекториям. В данном случае тор является притягивающим множеством в пространстве состояний, т.е. асимптотически устойчивым множеством. Согласно синергетической концепции, разработка систем «объект-регулятор» как единое целое, позволяет повысить эффективность работы самого объекта и уменьшить затраты на управление им. Предлагается оптимизировать конструкторско-технологические параметры сушильных аппаратов, за счет введения в сушильную камеру дополнительно разработанных устройств управления газовыми потоками, с целью увеличения относительной скорости движения распыляемых частиц и оптимизации движения потоков сушильного газа [73]. В связи с этим, для устранения недостатков имеющихся сушильных аппаратов и обеспечения возможности управления процессом, предлагается дополнительно ввести активатор 7 в верхней части камеры и газозаборник 8, расположенный вдоль оси камеры, а так же коллектор кольцевой 5, расположенный в нижней части камеры, и патрубок газоподвода 6 сушильного газа. Газозаборник выполнен в виде коаксиального набора труб переменной длины, разделенных вертикальными перегородками [66]. На рис. 37 представлена схема предлагаемой управляемой сушильной камеры.
В данном случае, распылительная сушильная установка работает следующим образом. Исходный материал распыляется форсункой 4 и в форме полого конуса движется в камере 1 по восходяще-нисходящей траектории. Сушильный газ под действием активатора 7 проходит через устройство газозаборное 8 , поднимается вверх камеры и отпускается вниз вдоль стенок 106 суспензия схема предлагаемой сушильной камеры. камеры. За счет перепада давлений, создаваемого активатором, большая часть сушильного газа рециркулирует, пересекая факел распыла, при этом наиболее влажный газ действием центробежных сил вытесняется к стенкам камеры и отводится коллектором 5. Распыленный исходный материал высушивается в виде пустотелых шарообразных гранул и опускается в разгрузочный конус 2.
