43462

Моделирование процесса сушки в сушильном барабане

Курсовая

Производство и промышленные технологии

Концентрат с массовой долей воды не более 7 поступает из отделения обогащения по конвейерам поз.401 402 и перегружается соответственно на конвейера поз. При помощи плужковых сбрасывателей концентрат через загрузочный бункер поз.40612345 далее на весыдозатор поз.

Русский

2013-11-05

471.5 KB

47 чел.

                            Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Пермский государственный технический университет

Березниковский филиал

Курсовая работа

по курсу «Моделирование химико-технологических систем»

«Моделирование процесса сушки в СБ»

   

Выполнил: студент группы АТП – 06у    ___________   Кузнецов А.Н.

Дата сдачи      « ___  » _________  200 __ г

Проверил:         профессор, к.т.н.       ______________    Беккер В.Ф.  

         

           Оценка «________________»                   

           Дата проверки   « ______» ____________ 200__г.

Березники, 2009

Задание

Содержание

[1] Введение

[2] 1.  Описание технологического процесса

[3]   Разработка математической модели

[4] 2.1.  Постановка задачи оптимального управления.

[5]                                    2.1  Материальный баланс сушки.

[6] 2.2.  Тепловой баланс сушки.

[7] 3.  Кинетика процесса сушки.

[8] 4.  Программная реализация модели

[9] Заключение

[10] Список литературы

Введение

Свойства процесса, который рассматривается как объект управления, можно определить аналитическим и экспериментальным методами. Аналитический метод заключается в составлении математического описания процесса, при котором находят уравнения статики и динамики на основе теоретического анализа физических и химических процессов, протекающих в исследуемом объекте. Экспериментальный метод состоит в определении характеристик реального объекта путем постановки на нем специального эксперимента.

Математическое моделирование широко используется при исследовании, проектировании и создании систем управления процессами химической технологии. Особенностью современных процессов химической технологии является их большая сложность. Изучить процесс можно с помощью его модели – упрощенной системы, отражающей отдельные, ограниченные в нужном направлении характеристики рассматриваемого процесса.

Первый этап математического моделирования – формализация изучаемого процесса, т.е. построение математической модели (составление математического описания). Второй – программирование решения задачи (алгоритмизация).

1.  Описание технологического процесса

В данной работе рассматривается технология  сушильного отделения сильвинитовой обогатительной фабрики.

В сушильном отделении осуществляется сушка концентрата хлористого калия (далее – концентрата), обработка его реагентами: антислеживателем и пылеподавителем и проводится очистка отходящих газов перед выбросом в атмосферу.

Концентрат с массовой долей воды не более 7 % поступает из отделения обогащения по конвейерам поз.401, 402 и перегружается соответственно на конвейера поз.405, 404 оборудованные плужковыми сбрасывателями. Количество концентрата, поступающего в сушильное отделение, контролируется конвейерными весами РКВ-Л2 и весами типа «Клим». При помощи плужковых сбрасывателей концентрат, через загрузочный бункер поз.406-1,2,3,4,5, далее на весы-дозатор поз.407-1,2,3,4 в загрузочную течку поз. 409-1,2,3,4 сушильного барабана (далее - СБ) поз.410-1,2,3,4 СБ 3,2х22.

В сушильном барабане топочные газы смешиваются с влажным концентратом, где непосредственно происходит процесс сушки.

Перемешивание концентрата производится лопастными насадками. Перемещение концентрата по СБ до разгрузочной камеры поз.411-1,2,3,4 через классификатор внутри барабанов, осуществляется за счет наклона барабана под углом 4 о. Из разгрузочной камеры поз.411-1,2,3,4 концентрат поступает на конвейеры поз.433-1,2.

Концентрат из СБ конвейерами поз.433-1 или поз.433-2 поступает в турболопастные (ТЛГ) смесители соответственно поз.С-1 или поз.С-2 для обработки его реагентами – антислеживателем и пылеподавителем и с массовой долей воды не более 0,5 % направляется на склад готовой продукции ООГП по конвейеру поз.582 или поз.581 соответственно.

В качестве реагента-антислеживателя используется амино-газойлевая эмульсия. Раствор поступает из отделения приготовления  реагентов с массовой  долей амина 11% и перекачивается по трубопроводу в емкость поз.471, снабжённую паровой рубашкой, для подогрева эмульсии и, подачей воздуха для перемешивания, затем самотеком, в  автоматическом режиме, через клапан и расходомер подаётся непосредственно в смесители поз.С-1,2.

В качестве реагента-пылеподавителя применяется газойль вакуумный или масло индустриальное И-40, которые перекачиваются из отделения приготовления реагентов в емкость поз.481, снабженную паровой рубашкой, для прогрева газойля (И-40). Из емкости поз.481 вакуумный газойль (И-40) самотеком, в  автоматическом режиме, через клапан и расходомер подаётся непосредственно в смесители поз.С-1,2. Температура в емкостях поз.471, 481 регулируется в автоматическом режиме и задаётся оператором пульта управления.

Заполнение емкостей поз.471 и поз. 481 реагентами производится в автоматическом режиме.

Температура высушенного продукта после обработки реагентами антислеживателем и пылеподавителем 80-100оС.

Процесс сушки состоит из трех основных стадий:

• сжигание топлива и получение теплоносителя нужных параметров;

• передача тепла от теплоносителя к исходному сырью и, соответственно,

 процесс сушки в сушильном барабане;

• очистка отработанных газов от пыли, сернистого ангидрида и хлористого

 водорода.

В качестве топлива используется мазут марки 100 и природный газ. Расход мазута – на один СБ до 1,2 м3/ч (в зависимости от Q, W), расход природного газа на один СБ до 1400 м3/ч. Мазут или природный газ сжигается в топках печей поз.412-1,2,3,4,5. В каждой топке установлена горелка типа ГМСБ-14. Форсунки в горелочном узле меняются в зависимости от используемого вида топлива.

В сушильное отделение мазут поступает под давлением (1,6 - 2,0) МПа из котельного цеха (далее - КЦ) по кольцевому трубопроводу с пароспутником.

Для уменьшения вязкости мазут в сушильном отделении подогревается в подогревателе мазута поз.439 до температуры (95-120)оС (пар в качестве теплового агента) и проходит очистку от примесей в фильтре мазута поз.440, после чего мазут по трубопроводу подается к горелкам топок СБ.

Пар через гребенку подается на форсунки и сбрасывается в бак - охладитель поз.442.

Природный газ от пункта замера расхода газа (ПЗРГ) по газопроводу высокого давления подаётся в газорегуляторную установку (ГРУ) сушильного отделения. ГРУ предназначена для редуцирования  газа высокого давления (0,6 МПа) в газ среднего давления (30 кПа). После ГРУ природный газ по внутрицеховому газопроводу подаётся к топкам.

Для сжигания топлива, охлаждения стенок топки и одновременно для уменьшения температуры топочных газов до требуемой величины в топку вентилятором типа ВДН-12,5 поз.413-1,2,3,4,5 подается первичный воздух с объемным расходом до 18000 м3/ч и вторичный воздух с объемным расходом до 30000 м3/ч. Количество первичного  и вторичного воздуха подаваемого в топку, регулируется автоматически в зависимости от расхода топлива.

Температура топочных газов на входе в СБ не более 750 оС. Температура газов на выходе из СБ 130-170 оС. Разрежение в топке (50-150) Па   (5-15 мм вод.ст.).

Система очистки газов включает в себя две стадии:

•   первая стадия – сухая очистка с улавливанием крупных фракций пыли;

• вторая стадия – мокрая очистка для глубокой очистки газов от пыли и нейтрализации, содержащихся в отработанных газах хлористого водорода и сернистого ангидрида.

На стадию сухой очистки отходящие газы из СБ поз.410-1,2,3,4,5 по газоходу направляются в циклон типа ЛИОТ поз.417-1,2,3,4,5. На стадии сухой очистки улавливается пыль более крупных фракций, которая через течку с клапанной заслонкой типа «мигалка» поступает на конвейеры поз.433-1,2,3 и далее в смесители поз.С-1,2 на обработку реагентом-пылеподавителем.

Предварительно очищенные газы через газоход поз.455-1,2,3,4,5 дымососом ВВН-18 поз. 418-1,2,3,4,5 направляются по газоходу поз.456-1,2,3,4,5 на вторую стадию очистки – мокрое обеспыливание в трубе-коагуляторе типа ТК-600 (Труба Вентури) поз.421-1,2,3,4,5. Для орошения газов в трубу-коагулятор через форсунку подается вода Q=15-20 м3/ч.

При использовании топлива «мазут», для нейтрализации хлористого водорода и сернистого ангидрида в отработанных газах, в трубу-коагулятор подается (6 ± 1) % водный раствор кальцинированной соды. Раствор поступает из отделения приготовления реагентов в бак поз.425. Расход кальцинированной соды (0,20 ± 0,05) кг на 1 т 95 % KCL.

Газ, увлажненный водой и содовым раствором, из трубы-коагулятора по газоходу поз.457-1,2,3,4,5 поступает в каплеуловитель поз.422-1,2,3,4,5, где происходит разделение газообразной и жидкой фаз. Очищенный газ из каплеуловителя по газоходу поз.458-1,2,3,4,5 выбрасывается в атмосферу.

Жидкая фаза через гидрозатвор, расположенный под каплеуловителем, поступает в емкость поз.426 и насосами поз.427-1,2 откачивается в отделение обогащения в зумпф поз.262, откуда вместе со шламовым продуктом откачивается в шламохранилище.

Стоки, переливы из емкостей стекают на отм.+0,00 м и из приямков откачиваются погружными насосами поз. Н-1,4 в емкость поз.426.

Рис 1 - Технологическая схема процесса сушки

  1.    Разработка математической модели

Для сушильных аппаратов в качестве критерия оптимальности целесообразно принять максимум производительности или минимум себестоимости. За критерий оптимальности принимаем минимальную себестоимость. Минимальную себестоимость можно достигнуть путем снижения затрат на топливо. Поэтому, в качестве критерия оптимальности рекомендуется принимать минимум затрат на топливо.

2.1.  Постановка задачи оптимального управления.

Для выбора критерия оптимального управления работы сушильного барабана необходимо составить кибернетическую модель объекта.

                                                                          

                                                                                     

                                                                                                            

                       

                                                                                                             

Рис 2. Кибернетическая модель сушильного барабана.

Входными параметрами являются:

– расход газа,  – расход воздуха, – количество концентрата (KCL).

Возмущениями являются:

– начальная влажность концентрата,  – начальная температура концентрата.

Выходными параметрами являются:

– влажность высушенного KCl, – количество высушенного KCl,  – температура отходящих дымовых газов.

Для постановки задачи оптимального управления процессом сушки KCl за критерий оптимальности принимаем расход газа на единицу продукции,

который может быть представлен следующим зависимостью:

                                     

На систему накладываются следующие ограничения:

Расход KCl должен находиться в пределах 60100 т/ч;

Расход газа должен находиться в пределах 2001400 нм3/ч;

Температура отходящих дымовых газов 120140 оС.

Следовательно, математическая задача в определении оптимальных параметров технологического процесса формулируется как определение минимума следующей функции при заданных ограничениях:

R min (,)

                                                                                        FKClmin < FKCl < FKClmax

                                                                                          Fг min< Fг < Fг max

                                                                                                                                             Tд.г.min < Tд.г. < Тд.г.max

Чтобы определить необходимый расход газа для обеспечения оптимального технологического режима процесса сушки составим математическую модель данного процесса.

                                   2.1  Материальный баланс сушки.

Материальный баланс имеет целью определение количества (расхода) испаренной влаги и расхода сушильного агента. Его составляют для потоков высушиваемого материала и газа.

При составлении баланса по высушиваемому материалу в качестве исходных параметров используют влажность (W). Количество удаляемой в процессе сушки влаги находится из уравнения материального баланса сушки:

=  + W;

Количество абсолютно сухого KCl в процессе сушки не изменяется. Уравнение баланса сухого KCl можно записать, как

;

Из этих уравнений определяется количество удаляемой в процессе сушки влаги W и количество высушенного KCl (F2):

;

Удельный расход воздуха l на единицу испаренной влаги в сушилке находится из уравнения баланса влаги. При отсутствии потерь количество влаги, вошедшее с материалом и воздухом, равно количеству вынесенной влаги:

где L – часовое количество воздуха, необходимое для сушки;

 х1 и х2 – влагосодержание воздуха на входе в сушилку и на выходе из нее.

Количество влаги, удаляемой в процессе сушки, определиться:

 

Отсюда находим удельный расход воздуха на сушку:

 

2.2.  Тепловой баланс сушки.

Для составления теплового баланса введем следующие обозначения:

Cм– удельная теплоемкость высушенного материала,  дж/кгград;

Св  – удельная теплоемкость влаги, дж/кгград;

I1 – энтальпия воздуха на входе в сушилку, дж/кг;

I2 – энтальпия воздуха на выходе из сушилки, дж/кг.

Таблица 1.

Тепловой баланс

Приход тепла

Расход тепла

с абсолютно сухим воздухом LI1

с отработанным воздухом LI2

с высушиваемым материалом F2cмT1

с высушенным материалом F2cмT2

с влагой, испаряемой из материала WcвТ1

потери тепла в окружающую среду Qп

При установившемся процессе сушки тепловой баланс выразится:

Продифференцируем данное уравнение:

По принятым допущениям, что топочные газы подчиняются закону идеального газа, можно записать для них уравнение Менделеева-Клайперона:

где P – разрежение, Па;

– объем топочных газов, м3;

M – молярная масса, моль;

R – газовая постоянная;

T – температура топочных  газов, оС.

Объем топочных газов:            = Vап + V,

Где Vап – объем аппарата, м3;

           V – объем, занимаемый материалом, м3.

 

3.  Кинетика процесса сушки.

При сушке происходит удаление влаги из материала. Этот процесс подчиняется законам массообмена. Внутри материала влага перемещается за счет массопроводности, а от поверхности материала в окружающую среду – за счет конвективной диффузии. Это количество удаляемой влаги можно выразить из основного уравнения массопередачи, в котором движущая сила процесса выражена через разность парциальных давлений:

 

где H – поверхность материала (поверхность контакта фаз), м2;

– давление насыщенного водяного пара у поверхности материала, мм.рт.ст.;

ρ– парциальное давление водяного пара в воздухе, мм.рт.ст.;

- коэффициент массоотдачи, который определяется по опытным формулам:

= 0,0745(w)=0,8 , где w – скорость воздуха в сушилке;

    - удельный вес воздуха.

Скорость процесса сушки, которая характеризует количество влаги, удаляемой с единицы поверхности высушиваемого материала за единицу времени, непостоянна во времени, и поэтому процесс сушки делится на два периода. В первый период сушки температура материала и скорость сушки постоянны. Влага в этот период удаляется с поверхности материала. При достижении так называемой критической влажности материала Wкр , когда скорость сушки начинает падать, наступает второй период сушки (период падающей скорости), при котором температура материала повышается. В этот период процесс сушки ведется до равновесной влажности материала. К концу второго периода температура материала повышается и становится равной температуре окружающей среды. Закономерности второго периода сушки более сложные, чем закономерности первого периода.

Теоретически время сушки может быть определено по следующим формулам:

в первый период сушки

                                      

во второй период сушки

                                  

А – напряжение барабана по испарившейся влаге, кг/(м3 ·ч);

где Gсух – вес абсолютно сухого материала;

W1, W2, Wкр, Wр – начальная, конечная, критическая и равновесная влажность материала;

H – поверхность высушиваемого материала;

М – движущая сила, которая определена выше.

Более точно продолжительность сушки может быть определена опытным путем.

В целом кинетика процесса характеризуется изменением средних по объему влагосодержаний  и температур t:

 

Влагосодержание  материала на выходе из сушилки определяется функцией, зависящей от расхода газа, расхода влажного KCl, времени пребывания материала в аппарате и начальной влажности материала:

          

        

                          

                    cм            св              Т1      Т2         I1          I2

                                                                                                    

                                                                                   

                                                     

 

 

         Блок – схема моделирования математической модели сушки.

Влажность готового продукта

4.  Программная реализация модели

Большая часть методов решения оптимальных задач основана на предположении, что математическая модель оптимизируемого объекта известна. Более того, многие методы оптимизации используют конкретные свойства объекта и его математического описания.

 Выбираем метод нелинейного программирования. Этот метод применяют для решения задач с нелинейными функциями цели. На независимые переменные накладываются ограничения в виде нелинейных соотношений, имеющих вид равенств или неравенств. Под нелинейными методами понимается большая группа численных методов, многие из которых приспособлены для решения оптимальных задач соответствующего класса. Эти методы служат основой построения систем автоматической, оптимизации - оптимизаторов, непосредственно применяющихся для управления производственными процессами.

Большинство методов нелинейного программирования используют идею движения в n-мерном пространстве в направлении оптимума.

Для нахождения критерия оптимальности будем использовать метод сканирования. Он заключается в последовательном просмотре значений критерия оптимальности в ряде точек, принадлежащих области изменения независимых переменных, и нахождении среди них такой точки, в которой критерий оптимальности имеет максимальное (минимальное) значение. Основные достоинства метода: при достаточно «густом» расположении   исследуемых точек всегда гарантируется нахождение глобального оптимума, так как анализируется вся область изменения независимых переменных, а также независимость поиска от вида оптимизируемой функции. Выберем алгоритм с переменным шагом сканирования. Объем вычислений значений целевой функции осуществляется по формуле:

 

где n - размерность задачи;

Δ- точность определения оптимума;

r - количество этапов уточнения поиска, на которых шаг поиска уменьшается в k раз;

k - шаг сетки.

Целевая функция:

Таблица  2.  

Таблица  идентификаторов.

Наименование переменной

Обозначение

Идентификатор

1

Расход газа

Fг

x

2

Расход влажного концентрата

F1

y

3

Критерий оптимальности

z

Ограничения независимых переменных:

                                                      

                                                      

А, Б - нижний и верхний предел изменения расхода влажного флотоконцентрата, (у);

В, Г - нижний и верхний предел изменения расхода природного газа, (х) ;

Д - требуемая точность решения задачи;

Е - шаг изменения переменных х, у;

Л - максимальное значение остаточной влажности готового продута, (z);

М, Н - координаты максимального значения z;

О - параметр в уравнении поверхности;

Р - количество отрезков, на которое разбивается допускаемая область изменения переменных х, у,

Е - шаг изменения переменных х, у;

С - количество операций вычисления z.

Работа программы начинается с ввода исходных данных и выбора шага Е.

Алгоритм поиска на сетке переменных организован в виде двух циклов в цикле, шаг по переменной у производится после того, как полностью завершен цикл изменения переменной х и поиска максимального значения z. Во внешнем цикле .переменным х, у,  z присваивается максимальное значение, производится их печать и корректировка пределов изменения А, Б, В, Г независимых переменных х, у. Далее делается проверка соответствия достигнутой и требуемой точности решения и останов машины.

Рисунок  2.   блок-схема  алгоритма.

Исследования показали, что наиболее эффективным является такой режим процесса сушки хлорида калия, при котором остаточная влажность готового продукта находиться на уровне допустимого предела. В этом случае не только экономится топливо, но и уменьшаются потери хлорида калия с отходящими газами.

Самым эффективным воздействием на конечную влажность готового продукта является поддержание оптимального температурного режима процесса сушки хлорида калия, таким образом, расход природного газа на единицу удаляемой из материала влаги является оптимальным критерием экономического ведения процесса сушки.

Заключение

В курсовой работе решена задача оптимизации процесса сушки хлористого калия.

Произведено математическое описание процесса и выбран критерий оптимальности, характеризующий эффективность проведения процесса при минимальных затратах.

В качестве критерия оптимального управления процессом сушки принята - зависимость расхода топлива на единицу удаляемой влаги.

Приведен алгоритм, обеспечивающий эффективную сушку хлористого калия.

Список литературы

1.     Беккер В.Ф. Моделирование химико-технологических объектов управления. Пермь, 2005

2.    Бондерь А.М., Макаров А.Н., Утрихин Ю.Д., Фараджаев В.А. Общесистемное проектирование АСУ реального времени. М. 1994


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

20709. Первообразная функция и неопределенный интеграл 82 KB
  Опр: Функция называется первообразной для функции на промежутке если . Если первообразная для функции на и с произвольная постоянная то функция также является первообразной для . Если первообразная для функции на и первообразная для функции на то найдется с: . Вывод: Таким образом множество всех первообразных для на представимо в виде Опр: Множество всех первообразных функции на наз.
20710. Определенный интеграл и его свойства 157 KB
  Если постоянна на то она интегрируема и .Если и интегрируемы на то также интегрируема на и . Если интегрируема на и то также интегрируема на и . Если и совпадают на всюду за исключением может быть конечного числа точек и интегрируема на то также интегрируема на 5.
20711. Матанализ. Основные классы интегрируемых функций 90 KB
  Теорема Интегрирование монотонной функции Всякая функция fx монотонная на [ab] интегрируема на этом отрезке Доказательство: для возрастающей функции Пусть fx возрастает на [ab] может быть разрывная. Докажем это: Возьмем тогда с учетом 1 получим: тем самым доказано @ 1 Теорема Интегрируемость непрерывной функции Всякая функция fx непрерывная на [ab] интегрируема на этом отрезке. критерий интегрируемости надо доказать что @Возьмем и пользуясь равномерной непрерывностью fx на [ab] найдем выполняетсяУтверждается...
20712. Определенный интеграл. Формула Ньютона-Лейбница 138.5 KB
  Пусть функция определена на отрезке . Если существует конечный предел при то функция называется интегрируемой на отрезке а указанный предел называется определенным интегралом от функции на отрезке и обозначается a и b –нижний и верхний пределы интегрирования подынтегральная функция подынтегральное выражение. Пусть функция определена на конечном или бесконечном промежутке . это функция определена на интервале и называется определенным интегралом с переменным верхним пределом интегрирования.
20713. Числовые ряды. Признаки сходимости 58 KB
  12 Числовые ряды.–некоторые действительные числа называется числовым рядом. называются членами ряда. аn – nый общий член ряда.
20714. Абсолютно и условно сходящиеся ряды 81.5 KB
  Абсолютно и условно сходящиеся ряды. Рассмотрим ряд где a1a2an – произвольные числа. Составим ряд 2. Опр: Ряд 1 наз.
20715. Степенные ряды. Теорема Абеля 71 KB
  Функциональный ряд вида : 1 где некоторые действительные числа называется степенным рядом по степеням . Числа называются коэффициентами степенного ряда. Функциональный ряд вида : 2 где некоторые фиксированные числа называется степенным рядом по степеням называется центром сходимости степенного ряда называются коэффициентами степенного ряда.
20716. Метрические пространства 68 KB
  Определим действительнозначную функцию ОПР: Если: 1аксиома неотрицательности; 2 аксиома тождественности; 3 аксиома симметрии; 4 аксиома треугольника; то называется расстоянием или метрикой определенной на множестве М. Перечисленные аксиомы называются аксиомами расстояния. 1 1я аксиома выполнена; 2 2я аксиома выполнена; 3 4Для ее проверки составим: Пусть4я аксиома выполнена.к 2 аксиома не выполняется не следует что х=у то данная пара метрическим пространством не является.
20717. ПОЛНЫЕ МЕТРИЧЕСКИЕ ПРОСТРАНСТВА 57 KB
  Чтобы разобраться в этом вопросе рассмотрим понятие фундаментальной последовательности на R’. Определение: последовательность {xn} называется фундаментальной если выполняется Пример. ТЕОРЕМАпринцип сходимости Коши Для сходимости последовательности необходимо и достаточно чтобы она была фундаментальной. Понятие фундаментальной последовательности переносится на метрические пространства.