Введение к работе
Экономическая обстановка обуславливает необходимость подъема российских производительных сил, создания дешевой, качественно не уступающей импортным образцам, продукции химической промышленности. В этой ситуации разработка любого технологического процесса должна быть ориентирована на создание максимально экономичного и в то же время эффективного аппаратурного оформления вне зависимости оттого, изготавливается ли оборудование вновь или технологическая линия монтируется из серийно выпускаемых аппаратов. Решение этой задачи должно достигаться как путем применения методов оптимальноУо расчета проектируемой (модернизируемой) системы аппаратов и оптимального управления процессом, так и разработки новых высокоэффективных машин и аппаратов химических производств. В полной мере это относится и к такому энергоемкому процессу, как удаление жидкой фазы из дисперсных материалов.
Актуальность проблемы. На ряде производств целевой продукт, выходящий из реакционной зоны, разбавлен жидкой фазой, т.е. представляет собой суспензию или высоковлажный дисперсный материал. Для удаления жидкой фазы из таких продуктов применяются различные виды механической и тепловой обработки. Весьма эффективной и широко распространенной в промышленности является двустадинная обработка, заключающаяся в предварительном механическом обезвоживании исходного материала с последующей сушкой, причем удаление части свободной влаги может быть произведено в аппарате предварительной сушки с активным гидродинамическим режимом, а окончательное обезвоживание - в аппарате досушки. Таким образом, речь идет о некотором комплексе аппаратов удаления жидкой фазы из суспензий и высоковлажных дисперсных материалов, который с точки зрения системного анализа
может быть квалифицирован как химико-технологическая система.
По определению же химико-технологической системы (ХТС), элсменп системы функционально связаны между собой, следовательно, достичь экон мически наиболее эффективной работы комплекса возможно лишь при анал функционирования системы в целом.
Однако анализ литературных источников, рассматривающих процесс ol воживания в комплексе аппаратов, показал незначительность количества пу ликаций, рассматривающих проблему совместного функционирования аппа| тов механической обработки и сушки в экономическом аспекте, ее малоизуч ность.
Таким образом, разработка методики расчета комплекса аппаратов удал ния жидкой фазы из суспензий и высоковлажных дисперсных материалов, б зирующейся на системном подходе и позволяющей определить экономичен наиболее рациональные режимы функционирования комплекса в целом, рас считать оптимальные конструктивные и режимные параметры элементов сиі темы, представляется актуальной и имеющей важное народнохозяйственное значение. Столь же актуальной является задача разработки высокоэффектив аппаратов удаления жидкой фазы из суспензий продуктов отрасли, одновременно обеспечивающих соблюдение требований технологического регламен
Цель работы. Развитие методологических принципов системного подх да применительно к теоретическим исследованиям процессов удаления жидь фазы из суспензий и дисперсных материалов с последующей реализацией ре зультатов для решения конкретных задач оптимального расчета систем аппаї тов механического обезвоживания и сушки.
В соответствии с вышеизложенным решались следующие основные зад; исследований и разработок:
- анализ структуры и функционирования систем, содержащих аппараты удаления жидкой фазы из суспензий и высоковлажных дисперсных материаі
- разработка принципов расчета оптимального состава систем аппара удаления жидкой фазы, оптимизации конструктивных и режимных парамет ее элементов;
разработка конструкций высокоэффективных аппаратов удаления жидкой фазы;
разработка инструмента экономико-математического анализа функционирования систем аппаратов удаления жидкой фазы;
разработка необходимых для оптимального расчета математических моделей и методик расчета процессов удаления жидкой фазы;
экспериментальные исследования процессов механического обезвоживания и сушки;
расчет оптимального аппаратурно-технологического оформления процессов удаления жидкой фазы с практической реализацией результатов исследований и разработок.
Научная новизна. Разработана методологическая основа расчета оптимального состава систем аппаратов удаления жидкой фазы из суспензий и высоковлажных дисперсных материалов, учитывающая особенности протекания процессов в комплексе аппаратов и базирующаяся на сквозном оптимизирующем параметре - переходном влагосодержании продукта. Разработан метод оценки эффективности исследуемых процессов по предложенному критерию эффективности, развернутому в комплексную целевую функцию.
Разработана математическая модель процесса центробежного фильтрования концентрированных систем в тонком слое, атак же впервые математически описан процесс сушки в центробежном кипящем слое
Установлен механизм процесса сушки дисперсных материалов от двойной взаимонерастворимой жидкой смеси при комбинированном (кондуктивно и перегретым острым паром) подводе тепла.
Предложены развернутые целевые функции для экономико-математического анализа ряда процессов удаления жидкой фазы.
Разработаны и исследованы конструкции аппаратов механического обезвоживания и сушки для ряда спецпроизводств и смежных отраслей промышленности.
Практическая ценность. Разработаны конструкции аппаратов механического обезвоживания и сушки, в том числе центрифуг с регенерируемой поверхностью фильтрования, воздушных центрифуг, сушилок с центробежным кипящим слоем, высокая эффективность которых подтверждена экспериментальными исследованиями. Выданы конкретные рекомендации по их применению в зависимости от влагосодержания, дисперсного состава, адгезионно-когезионных и специальных свойств обрабатываемых продуктов.
Разработана методика расчета оптимального состава систем аппаратов удаления жидкой фазы, позволяющая получить оптимальные конструктивные и режимные параметры их элементов. Методика может быть применена как при проектировочных расчетах процессов удаления жидкой фазы, так и при модернизации существующих технологических линий.
Реализация работы. В результате теоретических и экспериментальных исследований, конструкторских разработок были изготовлены комбинированный аппарат центробежного фильтрования, гранулирования и сушки суспензии кормовых дрожжей (Волжский гидролизно-дрожжевой завод); фильтрующая центрифуга с инерционной выгрузкой осадка для среднезерненых полимерных материалов ( Казанский НИИ химических продуктов ).
Методика расчета процессов и аппаратов удаления жидкой фазы внедрена на Янгиюльском масложиркомбинате ( Узбекистан ), Казанском ПС «Тасма», испоньзована при проектировании исходных данных ПО « Алтай-химпром», передана Казанскому НИИ химических продуктов, использован* для оптимального расчета намеченного к модернизации комплекса аппаратої по обезвоживанию шлама гальванических производств на предприятии «ПО ЗИС».
Автор защищает. 1.Результаты развития декомпозиционно гипотетического принципа в качестве методологической базы для оптимально го расчета систем аппаратов, содержащих комплексы установок удаления жид кой фазы из суспензий и дисперсных материалов и методику выбора оптималь
ной системы аппаратов удаления жидкой фазы с помощью критерия эффективности, базирующегося на технико-экономических показателях процесса.
-
Результаты разработки аппаратурного оформления процессов удаления жидкой фазы и их математического моделирования, в том числе: центробежного фильтрования концентрированных систем в тонком слое; сушки дисперсных материалов в первом периоде в центробежном кипящем слое; сушки от двойной взаимонерастворимой жидкой смеси при комбинированном (кондуктивно и перегретым острым паром) подводе тепла.
-
Результаты экономико-математического исследования процессов удаления жидкой фазы и их экспериментальных исследований.
-
Результаты практической реализации работы в народном хозяйстве.
Апробация работы: Основные результаты работы докладывались на конференции Проблемного Совета ТОХТ РАН (2000); II, III Минских Международных Форумах по тепломассообмену (1992, 1996); конференции Российского химического общества им. Д.И. Менделеева «ПАХТ и химическое машиностроение» (1999); Международной конференции молодых ученых по химии и химической технологии МКХТ - 99 (1999); Международных конференциях: «Методы кибернетики химико-технологических процессов» (КХТП - 99) (Казань, 1999); «Теория и практика фильтрования» (Иваново, 1998), «Heat and Masstransfer in Technological processes» (Юрмала, 1991); Всесоюзных и Всероссийских конференциях: ВСМ (Соликамск, 1984), «Реахимтехника-3» (Черкассы, 1989), « Динамика процессов и аппаратов химической технологии» Воронеж, 1990), «Химтехника-88» (Чимкент, 1988), «Разработка прогрессивных способов сушки различных материалов» (Черкассы, 1987), «Совершенствование техники, технологии сушки сельскохозяйственных продуктов в соответствии с Продовольственной программой» (Полтава, 1984), «Дальнейшее совершенствование теории и технологии сушки» ( Чернигов, 1981), «Интенсификация тепло-и массообменных процессов в химической технологии» (Казань, 1982-1984), «Математическое моделирование сложных химико-технологических систем»
(Казань, 1988), на Республиканских и межвузовских конференциях и конференциях Казанского государственного технологического университета.
Публикации, Содержание работы отражено в 63 печатных работах. По результатам выполненных исследований получено 28 авторских свидетельств.
Обгем и структура работы. Работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка использованной литературы из 166 наименований и приложений. Работа изложена на 261 странице, содержит 63 рисунка.