Научные основы моделирования и расчета распределенных теплофизических и химических процессов в аппаратах с псевдоожиженным слоем Митрофанов Андрей Васильевич

Введение к работе

Актуальность проблемы. Аппараты с псевдоожиженным слоем (ПС) играют важную роль в широком межотраслевом спектре технологических процессов, поэтому совершенствование и модернизация существующих, а также разработка новых высокоэффективных конструкций аппаратов ПС напрямую соответствует приоритетному направлению технологического развития не только химической технологии, но и смежных отраслей.

Широкое применение аппаратов с ПС привело к разработке значительного числа моделей, описывающих гидромеханику процесса псевдоожижения. Учет в таких моделях различных факторов, определяющих кинетику суммарного процесса или его отдельных стадий, привел к формированию еще более широкого диапазона моделей для расчета химико-технологических процессов (ХТП) в слое. Однако существующее разнообразие подходов мало продвинуло инженерные методы расчета, которые в значительной мере продолжают опираться на балансовые соотношения и представление слоя как системы с сосредоточенными параметрами, где реальное распределение параметров компенсируется введением многочисленных эмпирических коэффициентов, определяемых экспериментально на уже существующих аппаратах ПС. Такой подход не всегда способен обеспечить необходимую точность прогноза, особенно при изменении конструктивных элементов аппарата или при выходе режимных параметров за границу исследованного диапазона. Кроме того, исключается постановка и решение задач оптимального управления процессами, что может составлять значительный резерв повышения эффективности их проведения. Разнообразные модели, предлагающие более глубокий математический анализ процессов в ПС и, как правило, рассматривающие условно бесконечно малый объем слоя (считающийся представительным для описания) могли бы дать ответы на многие вопросы, возникающие при эксплуатации и проектировании. Однако подобные модели практически недоступны для инженерной практики из-за их сложности и вычислительной громоздкости, а главное, перегруженности многочисленными параметрами, идентификация которых затруднительна или невозможна. Таким образом, разработка эффективных математических инструментов для описания протекания процессов в аппаратах с ПС остается актуальной. При этом обращение к ячеечным моделям выглядит, на наш взгляд, наиболее оправданным, так как они занимают промежуточную нишу между моделями, оперирующими с бесконечно малым объемом слоя, и моделями, рассматривающими его как одно целое, что, в конечном счете, позволит рассмотреть обе эти предельные ситуации. Актуальность работы дополнительно подтверждается ее выполнением в рамках проектов РФФИ (14-01-31177мол_а и 15-08-01684А), а также договора о международном научно-техническом сотрудничестве с университетом г. Кампинас, Бразилия.

Степень разработанности темы. Проблемам расчета аппаратов с ПС посвящено значительное количество исследовательских работ, среди которых широкую известность имеют обобщающие монографии под редакцией отечественных (С.С. Забродского, Н.И. Гельперина, О.М. Тодеса, О.Б. Цитовича, И.П. Мухленова, И.М. Разумова и др.) и иностранных (М. Лева, Д. Кунии, О. Левеншпиля, Р. Джексона; И.Ф. Дэвидсона, Д. Харрисона и др.) ученых. Поскольку такие труды являются результатом анализа большого числа более частных исследований, то итоговые выводы также остаются неоднозначными. Более того, для расчета одного параметра в подобных изданиях можно найти зависимости, дающие на порядок разнящиеся результаты.

Существенный вклад в решение проблем реализации определенных технологических процессов в ПС внесли работы А.П. Баскакова, С.И. Дворецкого, А.С. Заваро-ва, П.Г. Романкова, В.А Бородули, С.П. Рудобашты, Г.М. Островского, С.В. Федосова, О.М. Флисюка, В.Н. Блиничева, Б.С. Сажина, П.В. Классена, И.Н. Дорохова, М.Б. Ге-

нералова и др., которые, по-видимому, можно считать большим подспорьем для инженерной практики конкретной отрасли, нежели монографии, касающиеся общих вопросов техники псевдоожижения. По мере того, как математическое моделирование утверждалось в качестве основы целенаправленной разработки высокоэффективных технологических решений, в химическую технологию проникали методы кибернетики и подходы системного анализа и, соответственно, разрабатывались обобщенные подходы к расчетам, сформированные на уровне междисциплинарных отношений ряда наук (В.В. Кафаров, В.Н. Ветохин., А.И. Бояринов, Ю.А. Комиссаров, Д.П. Вент, Л.С. Гордеев и др.). С другой стороны, развивались довольно специфические модели ПС, основанные на конкретных модельных представлениях или аналогиях с другими физическими процессами (Ю.А. Буевич, В.Г. Левич, В.А. Циба-ров, М.Л. Гольдштик, И.О. Протодьяконов др.). Так или иначе, поиск эффективных инструментов описания ПС, а также инженерного расчета процессов в аппаратах с ПС сохраняет свою актуальность.

Направление исследования отвечает паспорту специальности 05.17.08. «Процессы и аппараты химических технологий». Работа выполнена в соответствии со следующими пунктами паспорта специальности ВАК: в части формулы специальности – «…,содержание которой базируется на физических и химических явлениях (перенос энергии и массы, химические превращения, катализ, физико-химические воздействия на перерабатываемые материалы и т.п.)...», «...научная дисциплина ориентирована на совершенствование аппаратурного оформления технологических процессов с позиций энерго- и ресурсосбережения, использование особенностей нестационарных режимов с позиции экологической безопасности и надежности химических процессов и производств…»; в части области исследования специальности – «Фундаментальные разработки в изучении явлений переноса энергии и массы в технологических аппаратах.»; «Способы, приемы и методология исследования гидродинамики движения жидкости, газов, перемещения сыпучих материалов, исследование тепловых процессов в технологических аппаратах и технологических схемах, исследования массообменных процессов и аппаратов. Методы изучения химических процессов и аппаратов, совмещенных процессов. Приемы, способы и методология изучения нестационарных режимов протекания процессов в химической аппаратуре».

Объектом исследования является технологическая аппаратура, предназначенная для осуществления теплофизических и химических процессов в дисперсных средах в псевдоожиженном состоянии.

Предметом исследования является математическое моделирование и экспериментальное исследование взаимного влияния теплофизических и химических процессов, сопровождающихся изменением характеристик обрабатываемых частиц, и характера псевдоожижения.

Целью работы является создание нового подхода к разработке нелинейных математических моделей процесса псевдоожижения сыпучего материала, обладающих прогностической эффективностью, а также дающих возможность прогнозировать протекание тепломассообменных и химических процессов в псевдоожи-женном слое по локальным параметрам его состояния. Реализация цели предполагает решение следующих задач исследования: 1. разработать методологию математического описания движения фаз ПС на

масштабе, промежуточном между микроскопическим и макроскопическим (ме-зомасштабе): 1.1 в рамках предложенной методологии разработать нелинейные математические

модели для описания движения фаз ПС;

1.2 разработать программно-алгоритмическое обеспечение моделей, провести вычислительные эксперименты, уточнить параметры модели, оказывающие наиболее значимое влияние на движение фаз ПС;

2. предложить универсальные методики идентификации параметров математиче
ских моделей движения фаз ПС:

1. провести экспериментальные исследования расширения ПС с широкой номенклатурой частиц с постоянными и переменными свойствами в аппаратах постоянного и переменного сечения;

2. разработать обобщенную методику параметрической идентификации модели движения фаз ПС и предложить универсальные правила формирования и количественной оценки элементов переходных матриц в зависимости от текущего состояния слоя;

3. разработать нелинейные математические модели ХТП, сопровождающихся из
менением свойств частиц твердой фазы слоя:

3. модель для описания межфазного теплообмена и массообмена в ПС;

4. модель эволюции ПС при химической реакции в частицах слоя;

5. модель эволюции ПС при гранулировании сыпучего материала;

4. охарактеризовать влияние локальных параметров теплофизических и химических
процессов, протекающих в частицах на параметры движения фаз ПС:

6. при межфазном теплообмене в ПС;

7. при межфазном тепломассообмене в слое на примере сушки, в том числе, сопровождающейся объемной усадкой материала;

8. при гранулировании частиц в ПС;

9. при химической реакции в частицах ПС;

5. провести эмпирическую верификацию предложенных моделей ХТП на основе
экспериментальных исследований:

10. локальных параметров при межфазном теплообмене;

11. локальных параметров процесса сушки частиц с недеформируемым каркасом и сопровождающейся объемной усадкой частиц;

12. гранулирования частиц;

13. твердофазной химической реакции;

6. выполнить опытно-промышленную апробацию разработанных моделей ХТП и
внедрение полученных результатов при решении технико-экономических задач
и совершенствования режимного и аппаратурного оформления технологических
процессов с позиций энерго- и ресурсосбережения.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Разработаны методологические основы нового подхода к моделированию и
расчету химико-технологических процессов в псевдоожиженном слое сыпучего
материала, отличающегося тем, что

14. псевдоожиженный слой описываются на промежуточном между микроскопическим и макроскопическим масштабе (мезомасштабе), что позволяет рассмотреть его как систему с распределенными по высоте параметрами реализации технологических процессов;

15. учтено, что во время реализации технологического процесса изменяются аэродинамические свойства частиц, что оказывает значительное влияние на гидромеханические характеристики псевдоожижения;

2. Предложен универсальный подход к определению скорости стесненного дви
жения частиц в условиях псевдоожиженного слоя, в частности:

16. на основе проведенных экспериментальных исследований установлена новая эмпирическая зависимость для расчета коэффициента аэродинамического сопротивления частиц;

17. при описании полученных в ходе проведенных экспериментальных исследований распределений частиц по высоте ПС предложена зависимость для оценки симметричного (диффузионного) компонента вероятности переноса частиц по высоте слоя;

3. На основе предложенного подхода разработаны нелинейные математические
модели и средства их программной реализации, позволяющие осуществлять прогно
зирование основных гидромеханических параметров псевдоожиженного слоя:

18. расширения ПС в цилиндрических и конических аппаратах;

19. распределения твердой фазы по высоте слоя при псевдоожижении монодисперсных и полидисперсных ансамблей частиц;

4. Разработаны ячеечные нелинейные математические модели технологических
процессов в псевдоожиженном слое, которые позволяют учитывать нестационар
ность свойств частиц и, как следствие, гидромеханических параметров самого слоя, а
также принять во внимание изменение условий реализации процесса по высоте слоя:

20. модель внутреннего межфазного теплообмена в ПС;

21. модель эволюции ПС в процессе сушки частиц (частицы с жестким каркасом и с размером, зависящим от текущего влагосодержания);

22. модель эволюции ПС в процессе протекания в частицах твердофазной химической реакции;

23. модель эволюции ПС в процессе гранулирования сыпучей среды;

5. На основе полученных и известных экспериментальных данных проведена ве
рификация предложенных моделей химико-технологических процессов в ПС:

24. модели внутреннего межфазного теплообмена;

25. модели эволюции ПС в процессе сушки частиц постоянных размеров и частиц, габариты которых зависят от текущего влагосодержания;

26. модели эволюции ПС при протекании в частицах химической реакции;

5.4 модели эволюции ПС в процессе гранулирования сыпучей среды.
Теоретическая значимость результатов работы состоит в разработке методоло
гических основ нового подхода к моделированию и расчету движения сыпучей среды
в ПС, основанного на мезомасштабном уровне декомпозиции слоя, и позволяющего
учесть взаимное влияние текущих значений свойств дисперсных частиц и локальных
гидромеханических и теплофизических характеристик слоя. Для ряда ХТП, в том чис
ле, сопровождающихся изменением свойств частиц (сушки, грануляции и др.), разра
ботаны алгоритмические и программные средства реализации нового подхода в прак
тике моделирования и расчета. На основе проведенных и известных эксперименталь
ных данных установлена связь между текущими характеристиками процесса и пара
метрами идентификации модели.

Практическая значимость состоит в разработке инженерных методов расчета, создании для них алгоритмов и разработке эффективных программных средств реализации необходимых вычислений, позволяющих инженеру-пользователю применить зарегистрированные в Госреестре программные продукты для расчета и проектирования нового оборудования, а также для разработки проектов модернизации действующего оборудования. Часть разработанных программных продуктов нашла практическое применение на промышленных предприятиях. Кроме того, разработан ряд новых конструкций аппаратов с ПС, защищенных патентами на полезные модели.

Достоверность и обоснованность полученных результатов подтверждается использованием апробированных методов математического моделирования; совпа-

дением результатов расчета показателей работы оборудования и экспериментальных данных; сопоставлением полученных результатов с опубликованными результатами исследований других авторов; проведением экспериментальных исследований в условиях промышленной эксплуатации с использованием стандартизованных методов и средств измерения параметров.

Методология исследования. Основу методологии составляют принципы системного подхода, реализуемые через теоретическое обоснование и формулирование проблемной ситуации, рассмотрение и анализ способов решения проблемы, определение целей исследования и критериев их достижения, выбор средств достижения целей и степени декомпозиции системы, построение математической модели, планирование и выполнение экспериментов, связанных с параметрической идентификацией и верификацией математических построений.

Методы исследования. Математическое моделирование ХТП выполнено на основе математического аппарата теории цепей Маркова. Параметрическая идентификация моделей проведена с использованием комплекса стандартных физико-механических и физико-химических методов анализа, в том числе примененных для измерения локальных характеристик процессов в мезообъемах аппаратов.

Положения, выносимые на защиту:

1. Основные положения нового подхода к моделированию и расчету процессов в псевдоожиженном слое, основанного на теории цепей Маркова и позволяющего описывать эти процессы как объекты с распределенными параметрами;

2. Метод моделирования и расчета распределения фаз псевдоожиженного слоя при меняющихся гидромеханических свойствах взвешенных частиц вследствие протекающих в слое физико-химических процессов;

3. Метод моделирования и расчета теплофизических и химических процессов в псевдоожиженном слое по локальным параметрам состояния взаимодействующих сред;

4. Результаты экспериментального исследования процессов в псевдоожижен-ном слое, в том числе новое эмпирическое уравнение для расчета коэффициента аэродинамического сопротивления частиц;

5. Результаты практического применения разработанных моделей и методов расчета.

Реализация (внедрение) результатов работы. Разработанные программные средства реализации математической модели тепломассообмена в ПС включены в банк данных по инженерным расчетам технологического оборудования на АО «Романовский продукт» (компьютерная программа «Расчет гидродинамического и теплового состояния взвешенного слоя в процессе сушки зернистого материала», номер государственной регистрации 2015661400, разработчики А.В. Митрофанов и д.р.). Предложенные методы и их программно-алгоритмическое обеспечение используется в производственной деятельности ООО «Италмас» и ЧМП «Спецавтотранс» для управления технологическими режимами работы установок; результаты экспериментальных исследований и математического моделирования были использованы на ООО «Поли-пак» для модернизации действующего аппарата кипящего слоя. Часть результатов диссертационной работы в форме программно-алгоритмических средств передана в рамках некоммерческого сотрудничества Ченстоховскому политехническому университету (Польша), где используются при исследовании и наладке мельниц кипящего слоя. Реализация результатов работы подтверждена пятью актами внедрения.

Личное участие автора в получении результатов работы состоит в обосновании целей и задач исследования, разработке научных основ построения нелинейных мезомасштабных моделей, составлении алгоритмов расчетов и разработке соответствующего программного обеспечения, проведении численных эксперимен-

тов, планировании и проведении натурных экспериментов, обработке и интерпретации результатов расчетно-экспериментальных исследований, в обнародовании результатов исследовании в форме публикаций, патентов на полезные модели и свидетельств регистрации программных средств, в реализации промышленной апробации результатов исследования.

Апробация работы. Основные результаты опубликованы и обсуждались на 12 международных конференциях: 7^th International Conference for Conveying and Handling of Particulate Solids CHoPS-2012 (Friedrichshafen, Germany, 2012); ХХV и ХХVI международные научные конференции «Математические методы в технике и технологи-ях»(Саратов, 2012; Н.-Новгород, 2013); Международной научно-технической конференции «Состояние и перспективы развития электротехнологии». Бенардосовские чтения (Иваново, 2015; 2017); Электромеханотроника и управление. Международная научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Энергия» (Иваново, 2013, 2015); Международная научно-техническая конференция «Проблемы ресурсо- и энергосберегающих технологий в промышленности и АПК» (ПРЭТ-2014) (Иваново,2014); Proc. Of The 8^th International Conference for Conveying and Handling of Particulate Solids (Tel-Aviv, Israel, 2015); Международной научно-технической конференции, посвящённой 105-летию со дня рождения А.Н. Плановского (Москва, 2016); Международной Плесской научной конференции по нанодисперсным магнитным жидкостям (Плес, 2016); Proc. Of the International Symposium of Reliable Flow of Particulate Solids; “RELPOWFLOV” (Skien, Norway, 2017).

Публикации. Материалы диссертации нашли отражение в 47 опубликованных работах, в том числе, в 25-и статьях в ведущих рецензируемых журналах (по списку ВАК), из числа которых 2 журнала индексируются в Web of Science (Core Collection) и 3 издания индексируются в Scopus; получено 4 свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ, 4 патента на полезную модель.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, восьми глав, основных выводов и результатов по работе, списка использованных источников из 363 наименований, списка основных обозначений. Текст диссертации изложен на 304 стр. машинописного текста, содержит 99 рисунков, 7 таблиц и приложение.