Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Автоматизированные системы управления и прогрессивные информационные технологии

Диссертационная работа:

Точка Владимир Николаевич. Математическое моделирование и оптимизация технологических режимов производства активированного угля (На примере установки МИДАС-250) : Дис. ... канд. техн. наук : 05.13.06, 05.17.08 : Тамбов, 2004 223 c. РГБ ОД, 61:05-5/662

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

ВВЕДЕНИЕ 6

1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДО
ВАНИЯ 11

1.1. Описание технологической схемы и основных аппаратов уста
новки МИДАС-250 для получения активированного угля из отходов
переработки древесины 12

  1. Общие сведения об установке 12

  2. Технологическая схема установки 13

  3. Основные аппараты установки 17

1.2. Литературный обзор научных работ, посвященных процессам,
протекающим в основных аппаратах установки МИДАС-250 для по
лучения активированного угля 24

  1. Высокотемпературное разложение углеродсодержащих веществ 25

  2. Тепло- массоперенос в псевдоожиженном слое 29

  3. Влияние на теплофизические свойства древесины температуры, влажности и других параметров 33

  4. Итоги литературного обзора 40

1.3. Анализ установки МИДАС-250 для получения активированного
угля как объекта оптимизации 41

  1. Словесная формулировка задач оптимизации технологических режимов установки 42

  2. Особенности установки с точки зрения задач оптимизации

ее режимов 43

1.3.3. Установка как объект оптимизации 45

1.4. Цели и задачи исследования 53

  1. Цель исследования 53

  2. Предварительная формализованная постановка задачи оптимизации технологических режимов установки 54

  3. Основные задачи исследования 57

2. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ТЕХНОЛОГИЧЕ
СКИХ ПРОЦЕССОВ, ПРОТЕКАЮЩИХ В ОСНОВНЫХ АППАРАТАХ
УСТАНОВКИ МИДАС-250 ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ АКТИВИРОВАННОГО
УГЛЯ 58

2.1. Математическое описание процессов в пиролизере 59

  1. Основные положения и допущения 61

  2. Механизм и кинетика химических реакций. 62

  3. Процессы в пиролизере на интервале работы 66

  4. Процессы в пиролизере на интервале выгрузки- 77

2.2. Математическое описание процессов в активаторе с перегрева
телем пара 80

  1. Основные положения и допущения 81

  2. Механизм и кинетика химических реакций 85

  3. Процессы в активаторе на интервале работы 86

  4. Процессы в активаторе на интервале выгрузки 96

  5. Процессы в перегревателе пара на интервале работы 99

2.3. Математическое описание процессов в парогенераторе 104

  1. Основные положения и допущения 106

  2. Процессы втопке на интервале работы 108

  3. Процессы в котле на интервале работы ПО

2.4. Алгоритмы решения уравнений математических описаний про
цессов, протекающих в основных аппаратах установки 116

2.4.1. Краткий анализ математических описаний процессов,
протекающих в основных аппаратах 117

2.4.2. Выбор методов решения систем дифференциальных
уравнений с частными производными, обыкновенных
дифференциальных уравнений и смешанных систем 119

3. ИДЕНТИФИКАЦИЯ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ УСТАНОВКИ
МИДАС-250 ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА АКТИВИРОВАННОГО УГЛЯ ПО
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫМ ДАННЫМ 132

3.1. Математическая модель установки 132

  1. Методика идентификации математической модели установки 135

  2. Анализ математических моделей отдельных аппаратов установки как объектов идентификации 138

  1. Модель «Работа пиролизера» 140

  2. Модель «Работа перегревателя пара» 144

  3. Модель «Работа активатора» 147

  4. Модель «Работа топки парогенератора» 149

  5. Модель «Работа котла парогенератора» 152

  1. Идентификация математической модели установки 154

  2. Результаты проверки математической модели установки на адекватность 158

4. ИССЛЕДОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ УСТАНОВКИ МИДАС-250 ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА АКТИВИРОВАННОГО УГЛЯ, ФУНКЦИОНИРУЮЩЕЙ ПРИ

РАЗЛИЧНОМ ИСХОДНОМ СЫРЬЕ 161

4.1. Исследование технологических режимов работы

основных аппаратов установки 162

  1. Свойства технологических режимов пиролизера 164

  2. Свойства технологических режимов активатора 166

  3. Выбор эффективных управляющих воздействий 176

4.2. Построение областей допустимых значений для расходов ожи-
жающих агентов в пиролизерах и активаторах 178

  1. Формулы для расчета 179

  2. Области допустимых значений 181

  1. Уточненная формализованная постановка задачи оптимизации технологических режимов установки, функционирующей при различном исходном сырье 185

  2. Алгоритм решения задачи оптимизации технологических режимов установки, функционирующей при различном исходном сырье... 187

4.4.1. Замечания о методах решения задач оптимизации 188

4.4.2. Описание алгоритма решения задачи оптимизации техно
логических режимов установки 191

* 4.5. Результаты решения задачи оптимизации технологических ре
жимов установки при различном качестве исходного сырья 196

ВЫВОДЫ 204

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 205

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Исходные данные и соотношения для расчета пара
метров математических моделей основных аппаратов 215

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Формулы для нахождения расходов конвективного и

диффузионного потоков веществ из частиц сухого материала 220

м ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Экспериментальные значения технологических пара-

метров установки МИДАС-250 221

Введение к работе:

Актуальность работы. В настоящее время вопросы утилизации отходов промышленного производства, оказывающих отрицательное воздействие на состояние окружающей среды, имеют исключительно важное значение. Одним из действенных методов (а в ряде случаев и единственным) борьбы с загрязнением окружающей среды является сорбционная доочистка промышленных стоков с использованием активированного угля. В частности, она дает хорошие результаты при очистке воды от фенолов, нефтепродуктов, органики и некоторых тяжелых металлов.

Однако этот сорбент, получаемый из обладающих высокой плотностью ценных пород древесины, каменного угля, торфа и косточковых структур фруктовых деревьев, весьма дорог, что препятствует широкому применению сорбционных методов очистки промышленных сточных вод. В то же время существует проблема использования отходов деревоперерабатывающей промышленности, часть из которых может рассматриваться как потенциальное сырье для получения недорогих сорбентов.

Процесс переработки таких отходов является обычно непрерывно-периодическим и сопряжен с большими затратами электроэнергии и природного газа. Поэтому в условиях, когда доля энергозатрат в себестоимости конечного продукта становится определяющей, возникает задача их минимизации. Эта актуальная задача может быть решена путем нахождения и реализации оптимальных технологических режимов процесса, соответствующих требуемым в конкретные периоды времени производительностям установки, перерабатывающей такие отходы, и обеспечивающих нужное количество активированного угля с качеством не хуже заданного. Еще одной актуальной и практически важной задачей оптимизации является достижение максимально возможной производительности установки по активированному углю при выполнении требований на его качество и при ограничениях на энергозатраты.

Впервые в России в пос. Малиновка Тамбовского района Тамбовской

области ЗАО «Экос-А» построена и функционирует разработанная НИР-ЭНИН им. Г.Р. Кржижановского и НВІД-КВАРТО мощная промышленная установка МИДАС-250 (Мобильное Изготовление Дешевых АдСорбентов). Она позволяет получать около 250 кг/час сравнительно недорогого активированного угля из отходов деревопереработки.

Технология получения активных углей (адсорбентов) предусматривает осуществлять тепло- и массообменные процессы в режиме слоя, взвешенного острой струей газа (СВОС). Благодаря высокой интенсивности проведения этих процессов кардинально сокращается цикл обработки материала (до 5 -10 мин.) по сравнению с традиционной технологией, осуществляемой в аппаратах барабанного типа со значительно большим циклом обработки (5 — 7 часов).

Технология и установка предназначены для производства активированного угля из различной древесины и могут быть применены в химической и энергетической отраслях промышленности.

Вследствие высокой мощности установки МИДАС-250 практически невозможно без серьезных экономических потерь обеспечить в полном объеме проведение экспериментальных исследований для определения оптимальных технологических режимов. Поэтому в качестве основного метода исследования в данной работе использован метод математического моделирования.

В соответствии с вышеизложенным была сформулирована следующая цель работы: исследование и оптимизация технологических режшмов установки МИДАС-250 путем создания адекватной данной установке математической модели.

В рамках сформулированной общей цели решались следующие конкретные задачи:

разработка адекватной математической модели технологических режимов установки МИДАС-250;

создание соответствующего программного обеспечения, которое позволяет эффективно решать уравнения математического описания, т.е. разраба-

8 тывать алгоритмы решения и довести их до уровня рабочих программ;

исследование технологических режимов установки МИДАС-250;

определение входных, выходных переменных, возмущающих и управляющих воздействий;

нахождение областей допустимых управлений установкой;

построение зависимостей выходных переменных установки от входных;

нахождение оптимальных зависимостей выходных переменных установки от управляющих воздействий.

Научная новизна.

Впервые поставлена и решена задача оптимизации технологических режимов производства активированного угля из отходов переработки древесины, функционирующего при разном исходном сырье и разной производительности по перерабатываемому сырью (на примере установки МИДАС-250).

Проведен анализ технологического процесса как объекта оптимизации и установки как объекта управления, что позволило выявить основные аппараты установки, от которых в решающей степени зависит качество и количество получаемого продукта и сформулировать различные задачи оптимизации.

Разработаны в виде отдельных модулей математические модели технологических процессов, протекающих в основных аппаратах установки.

Построена по модульному принципу математическая модель установки (представленной в виде совокупности основных аппаратов) для исследования и оптимизации технологических режимов ее работы при различном исходном сырье и разной производительности.

Проведена идентификация математической модели установки по экспериментальным данным.

Исследованы технологические режимы установки, определены эффективные управляющие воздействия, для которых выявлены области их допустимых изменений.

Разработан алгоритм решения задачи оптимизации и найдены опти-

мальные технологические режимы установки для различных видов перерабатываемого сырья.

Практическая значимость. В ЗАО «Экос-А» (г. Тамбов) используется комплекс разработанных программ при исследовании и оптимизации технологических режимов установки МИДАС-250, функционирующей при различных видах перерабатываемых древесных отходов.

Результаты диссертационного исследования апробированы на региональных, вузовских и аспирантских научных и научно-практических конференциях и нашли отражение в публикациях соискателя.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка цитируемой литературы и приложений. Основная часть диссертации изложена на 149-страницах, содержит 36 рисунков и 5 таблиц, список литературы включает 123 наименования.'

В первой главе дана общая характеристика.технологии получения активированного угля, приведено описание технологической схемы» установки МИДАС-250, предназначенной для производства' активированного угля, а также ее основных аппаратов, оказывающих решающее воздействие на качество готовой продукции. Представлен литературный обзор опубликованных работ по производству сорбентов, ожижению твердого топлива, влиянию те-плофизических характеристик древесины на качество получающегося активированного угля. Проведен анализ установки как объекта управления, позволивший формализовать задачи оптимизации технологических режимов ее работы. Сформулированы цели и задачи исследования.

Во второй главе разрабатаны математические описания технологических процессов, протекающих в основных аппаратах установки МИДАС-250: пиролизере, активаторе с перегревателем пара, парогенераторе. Приведено описание алгоритма, используемого при решении соответствующих уравнений математических описаний. Таким образом, разработаны математические модели пиролизера, активатора с перегревателем пара, и парогенератора, оформленные в виде отдельных модулей.

В третьей главе на основе математических моделей основных аппара-

тов построена и идентифицирована по экспериментальным данным математическая модель установки МИДАС-250. Описана использованная методика идентификации. При этом определена наиболее рациональная последовательность расчета моделей этих аппаратов, которая позволяет весьма эффективно использовать в последующем построенную модель для решения сформулированных задач оптимизации. Проведен анализ математических моделей основных технологических процессов как объектов идентификации, указаны их настроечные параметры. Показано, что в связи с невозможностью контролировать некоторые важные при оценке адекватности технологические переменные на установке с помощью локальных средств КИП и А, следует определить такую последовательность идентификации отдельных математических моделей, при которой выходные переменные уже идентифицированных моделей используются в качестве «псевдо-измеряемых» входных переменных для моделей, подлежащих идентификации. Приведены результаты идентификации.

В четвертой главе решены задачи оптимизации технологических режимов работы установки МИДАС-250, функционирующей при различных видах исходного сырья — древесных отходов, а также в режиме переменной производительности по конечному продукту - активированному углю. Предварительно проведено исследование, целью которого было определение чувствительности выходных переменных установки к входным параметрам и выделение наиболее эффективных фактических управляющих воздействий. Построены области допустимых управлений для различных, важных для практики, режимов работы установки. Предложены технические решения, позволяющие эффективно реализовывать оптимальные технологические режимы.

Благодарности: автор признателен за оказанную помощь, предоставле-ные материалы для исследования и полезные консультации генеральному директору АО «Экос-М» Головину В.М, заместителю генерального директора Селезневу А.П., и начальнику технологической службы Савинкову В. А.

Подобные работы
Яшин Евгений Николаевич
Моделирование и оптимизация режимов многозонных электрических печей
Вставская Елена Владимировна
Оптимизация многоканального регулирования термических режимов в производстве полимерных изделий
Култаев Беркин Баянгалиевич
Математическое моделирование, оптимизация, управление и диагностика воздушного конденсатора паросиловой установки
Семенова Елена Георгиевна
Методология алгоритмизации управления и моделирования процессов оптимизации конструкторско-технологических параметров бортовых комплексов
Гаврилова Татьяна Ивановна
Моделирование и оптимизация характеристик управляемости водоизмещающих судов
Копейкин Дмитрий Викторович
Моделирование и оптимизация технологического процесса отбелки целлюлозы для проектирования и совершенствования отбельных установок
Проснева Марина Кузьминична
Повышение производительности функционирования автоматизированных технологических систем путем моделирования и оптимизации технических решений
Васецкий Виктор Витальевич
Моделирование и оптимизация диспетчерского управления многостадийным вагоноремонтным производством
Ломаш Дмитрий Алексеевич
Автоматизация взаимодействия железной дороги и морского порта на основе мультиагентной оптимизации и имитационного моделирования
Кручинин Александр Юрьевич
Оптимизация режимов работы каротажных станций на основе анализа сложности идентификации состояния буровой скважины

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net