Предисловие. 
Системный анализ процессов химической технологии: измельчение и смешение

Данная монография посвящена современному системному подходу к анализу и количественному описанию процессов измельчения и смешения сыпучих материалов как одному классу сложных процессов химической технологии.

Отличительной чертой процессов и аппаратов измельчения и смешения является их высокая энергои металлоемкость. Значительная часть всей вырабатываемой электроэнергии расходуется на измельчение материалов в различных отраслях промышленности.

В процессе измельчения сыпучих материалов в измельчитель поступают частицы с широким спектром размеров, который по мере измельчения смещается в сторону малых размеров. Цель операции измельчения — изменить исходный спектр до заданного, получить готовый продукт, отвечающий требованиям последующих и взаимосвязанных технологических процессов. Измельчением вскрывают целевое вещество, заключенное в твердой породе, увеличивают поверхность фазового контакта взаимодействующих веществ (в гетерогенной среде). Большая площадь поверхности тонкоизмельченного материала облегчает химическую и технологическую обработку, обжиг, окисление. С увеличением дисперсности возрастает скорость растворения материалов, сокращается продолжительность схватывания и увеличивается прочность вяжущих материалов. Цвет пигментов и наполнителей изменяется в зависимости от степени дисперсности последних. В химической технологии процесс измельчения включен в большинство технологических схем, так как от величины поверхности сыпучих материалов зависит интенсивность многих химических процессов. Измельчением возможно получать сыпучие материалы узких однородных фракций заданного гранулометрического состава. Кроме того, процесс измельчения может стать основой для переработки различных вторичных ресурсов и отходов производства с целью получения из них качественных кондиционных продуктов и для создания практически безотходных технологий.

Процесс смешения сыпучих материалов направлен на получение однородной по составу композиции и является широко используемым процессом во многих отраслях промышленности (химической, пищевой, строительных материалов химико-фармацевтической, радиотехнической и др.). Во многих случаях от его исхода зависит качество готового продукта. Под смешением понимается такой механический процесс, в результате которого первоначально находящиеся раздельно компоненты после равномерного распределения каждого из них в смешиваемом объеме образуют однородную смесь.

Трудности при моделировании процессов измельчения и смешения обусловлены не только их сложностью, но и тем, что до недавнего времени были недостаточно разработаны теоретические осповы механики неоднородных сред, в частности сыпучих материалов. Так, отсутствовали общие уравнения сохранения массы, движения и энергии многофазных гетерогенных сред, которые учитывали бы явления дробления (измельчения), столкновения и неравномерность распределения частиц дисперсной фазы по размерам. При моделировании процессов измельчения и смешения не проводилось четкой грани между явлениями стохастического и детерминированного характера, которые необходимо рассматривать в комплексе, а всю систему — как стохастико-детерминированную. Несмотря на большое разнообразие различных подходов к описанию процессов измельчения и смешения и попыток обобщить с теоретической точки зрения многочисленные экспериментальные данные, до настоящего времени не существовало обобщенного математического описания процессов измельчения и смешения, составленного на основе единых системных позиций и учитывающего не только кинетику и гидродинамику процессов, но и внутреннюю структуру эффектов и явлений, проходящих по определенному механизму. Поэтому моделирование процессов измельчения и смешения сыпучих материалов сводилось либо к записи и решению формальных кинетических уравнений без связи с силовым и энергетическим взаимодействием фаз, либо к решению алгебраических уравнений баланса массы для аппарата в целом.

Существующая отечественная и зарубежная литература в области моделирования и расчета процессов измельчения и смешения сыпучих материалов, посвященная главным образом решению прикладных технологических задач, отражает лишь отдельные частные стороны проблемы.

Отсутствие строгого научно обоснованного подхода, базирующегося на системном анализе, одна из причин того, что в области процессов и аппаратов смешения и измельчения до сих пор появляются работы невысокого научного уровня, содержащие рутинные разработки с низким качеством технических решений и не обеспечивающие требования современного научно-технического прогресса.

В данной монографии авторы поставили перед собой цель разработать строгую научно обоснованную методологию исследования процессов измельчения и смешения, которая призвана не только обеспечить новый, более высокий уровень научно-технических работ в этой области, но и дать импульс к расширению и углублению теоретических основ этих процессов, пересмотру многих устаревших представлений о протекании процессов измельчения и смешения в аппаратах химической технологии.

Реализация методологии системного анализа позволила авторам получить ряд новых результатов в области теории и практики процессов измельчения и смешения сыпучих материалов. Так, впервые установлена двухуровневая иерархическая структура физико-механических явлений, происходящих при измельчении и смешении частиц многофазной системы, вскрывающая сложный характер взаимосвязей между отдельными явлениями, а весь процесс измельчения н смешения формализован как сложная физико-механическая система (ФМС). Впервые получена и проанализирована структура обобщенного математического описания процесса измельчения—смешения: а) сформулирована система гидромеханических уравнений полидисперсной многофазной смеси с учетом дробления (измельчения) частиц дисперсной фазы; б) выполнен анализ диссипативной функции системы и определены в явпом виде выражения для движущей силы измельчения и критерия измельчения, что позволило вскрыть механизм разрушения частиц; в) из структуры движущих сил измельчения получены аналитические выражения вероятности разрушения и распределительной функции, отражающих стохастические свойства процесса измельчения; г) исследован механизм влияния на процесс измельчения поверхностно-активных веществ и получено выражение для критерия самоизмельчения. На основе применения математического аппарата марковских случайных процессов разработаны математические модели кинетики и динамики смешения, измельчения и агломерации. Показана принципиальная возможность и эффективность создания кибернетически организованной технологии измельчения и смешения, обеспечивающей работу аппаратов в оптимальных режимах.

Форма изложения материала книги, ее название и план построения полностью соответствуют трем основным этапам стратегии системного анализа: 1) качественный анализ процесса измельчения—смешения как сложной ФМС, из которого выделены два аспекта — смысловой и математический; 2) построение математических моделей процессов измельчения и смешения для измельчающих и смесительных устройств различных типов; 3) идентификация параметров и проверка адекватности математических моделей процессов измельчения и смешения. В результате последовательной реализации этих этапов строится модуль или модульный оператор процесса измельчения и смешения, который представляет конечную цель системного анализа на уровне отдельного химико-технологического процесса и используется в дальнейшем для решения задач оптимизации, автоматизированного проектирования и управления процессами, а также для решения задач высших ступеней иерархии химического производства.

Книга состоит из пяти глав, из которых первые три главы соответствуют трем] основным этапам общей стратегии системного анализа процесса измельчения—смешения как сложной ФМС. Четвертая и пятая главы посвящены решению последующих задач на основе полученных адекватных математических моделей (так называемых модулей или модульных операторов): оптимизации, автоматизированного проектирования и управления процессами измельчения и смешения. Такой план построения монографии позволил глубоко и последовательно рассмотреть проблему, начиная с нижнего атомарно-молекулярного уровня и кончая аппаратурным оформлением процессов измельчения и смешения.

В первой главе проведен качественный анализ структуры процесса измельчения—смешения как сложной ФМС. Смысловой аспект качественного анализа процесса измельчения—смсшепия включал последовательное рассмотрение с единых позиций всего спектра явлений процессов измельчения и смешения, начиная с атомарномолекулярного уровня и кончая промышленными процессами, протекающими в аппаратах различного принципа действия. Математический аспект качественного анализа заключался в составлении обобщенного математического описания процесса измельчения и смешения на основе методов механики гетерогенных сред, получении в явном виде и анализе выражений для движущих сил измельчения частиц дисперсных фаз в многофазном потоке и на этой основе вскрытии механизма разрушения частиц. Качественный анализ обобщенного математического описания процесса измельчения и смешения позволил также провести теоретическое исследование влияния на процесс измельчения поверхностно-активных веществ и получить в явном виде обоснованные аналитические выражения вероятности разрушения частиц и распределительной функции. В рамках математического аспекта рассмотрены также и другие подходы к описанию процессов измельчения и смешения, основанные на математическом аппарате случайных марковских процессов.

Во второй главе на основе обобщенного математического описания строились математические модели процессов измельчения и смешения для измельчающих и смесительных устройств различных типов с учетом неоднородностей гидродинамической обстановки. Рассматривались основы единой методологии построения математических моделей процессов измеЛьчения и смешения в аппаратах различного принципа действия. Наряду с оригинальными моделями во второй главе рассмотрены известные подходы к построению математических моделей процессов измельчения и смешения советских и зарубежных авторов и показано, что они являются частными случаями разработанной обобщенной математической модели.

Третья глава посвящена идентификации параметров и проверке адекватности математических моделей процессов измельчения и смешения по экспериментальным данным. Здесь рассматриваются научно обоснованные методики экспериментальных исследований процессов измельчения и смешения в устройствах различных типов. Сделана классификация и систематизация известных приборов и систем для определения гранулометрического состава измельченных материалов.

В четвертой главе рассмотрены вопросы математического моделирования и оптимизации процессов измельчепия и смешения на основе полученных адекватных моделей (модулей). В этой главе рассмотрены также вопросы создания систем автоматизированного проектирования измельчающих и смесительных устройств на примере проектирования оптимальной конструкции ударного измельчающего устройства.

В пятой главе освещены вопросы управления и синтеза систем управления процессами измельчения и смешения в устройствах различных типов. Особое внимание уделено рассмотрению принципов кибернетической организации процессов измельчения и смешения.

Представляемая читателю монография — результат многолетней работы авторов над проблемами системного анализа процессов химической технологии, она является, по существу, первым в отечественной и зарубежной литературе трудом, где дано решение широкого круга проблем в области моделирования, оптимизации, проектирования и управления процессами измельчения и смешения сыпучих материалов, осуществляемых в измельчающих и смесительных устройствам различных конструкций.

Книга будет полезна исследователям, работающим в области теории и практики процессов измельчения и смешения, теоретических основ химической технологии, теории управления и оптимизации технологических процессов, физико-химической механики, механики неоднородных сред. Она может использоваться также в качестве учебного пособия для студентов и аспирантов химических и химико-технологических специальностей вузов и университетов.

Все замечания и пожелания читателей будут приняты авторами с большой благодарностью. Наш адрес: 125 820, Москва, А-47, Миусская пл., 9, Московский химико-технологический институт им. Д. И. Менделеева, кафедра кибернетики химико-технологических процессов.

В. Кафаров, И. Дорохов, С. Арутюнов