Прогнозирование характеристик процессов измельчения на основе применения принципа максимума энтропии

Актуальность темы

.

На рубеже двух технологических веков сложилась парадоксальная ситуация. С одной стороны спрос на порошкообразные материалы неуклонно растет практически во всех высоких и традиционных технологиях. С другой стороны, в конце текущего века мы можем сказать, что процессы измельчения материалов остаются, пожалуй, наименее изученными технологическими процессами, где потребляется огромное количество электроэнергии и конструкционных материалов. По некоторым данным они расходуют от 4-х до 8-ми процентов производимой электроэнергии даже в высокоразвитых странах, а в сырьевых эта цифра доходит до 30. Поэтому очень острой остается задача снижения энергоемкости и повышения эффективности и качества измельчения.

При неуклонно растущих технологических требованиях к тонкости измельчения и получения порошков в заданном интервале размеров частиц становится необходимой разработка достоверных математических моделей измельчения, позволяющих прогнозировать связь фракционного состава измельченного материала с основными параметрами процесса с минимальным привлечением опытных данных.

Ценой огромных материальных затрат для традиционных технологий (уголь, цемент, распространенные руды) проектные и исследовательские институты за десятилетия работы нашли более или менее эффективные условия и режимы измельчения. В условиях отсутствия теории процесса и сколь-нибудь достоверных прогнозирующих моделей эмпирический путь решения этой важнейшей задачи оставался единственно возможным, как в.

России, так и за рубежом.

Однако теперь, когда спектр измельчаемых материалов растет год от года, а требования к тонкости помола от сотен микрон сместились к микронам, и существенно расширились, повторение чисто опытного пути экономически проблематично даже для развитых стран. Кроме того, при использовании эмпирических соотношений для построения оптимизационных моделей результат далеко не всегда получается адекватным даже для того материала, для которого эти соотношения были получены. Поэтому для совершенствования существующих технологических комплексов и создания новых необходима единая замкнутая модель, которая может быть использована не только для расчетов конкретного аппарата, но и для оптимизации всего технологического комплекса в целом.

Данная работа* выполнялась в рамках программы «ТОХТ и новые принципы управления химическими процессами» РАН, а также договоров о научно-техническом сотрудничестве между Ивановским государственным энергетическим университетом и Техническим университетом г. Брауншвейг, Германия, и Королевским технологическим институтом, Стокгольм, Швеция.

Цель работы — обеспечение повышения эффективности измельчения при реконструкции помольных установок и изменении требований к фракционному составу измельченных материалов путем разработки достоверных методов расчета фракционного состава в зависимости от основных параметров процесса. Научными консультантами по работе являлись д.т.н., проф. В. П. Жуков и Вг. 8. Вегпо1а1.

Научная новизна результатов работы заключается в следующем:

1. На основе объединения уравнений баланса массы фракций и энергии при измельчении с принципом максимума информационной энтропии для матрицы измельчения разработана математическая модель преобразования фракционного состава материала при измельчении.

2. Показано, что разработанная модель достоверно прогнозирует фракционный состав измельченного материала и его связь с изменяющимся энергоподводом и фракционным составом сырья.

3. Впервые выполнена теоретическая оценка распределения подводимой энергии между фракциями сырья, находящаяся в удовлетворительном качественном соответствии с опытными данными ряда авторов.

4. Предложена математическая модель преобразования формы частиц при измельчении и выполнена оценка степени отклонения формы осколков от правильной с изменением энергоподвода.

Практическая ценность результатов работы состоит в следующем:

1. Разработан инженерный метод расчета фракционного состава измельченного материала, использующий для идентификации только одну опытную точку кривой фракционного состава при заданном сырье и энергоподводе и позволяющий затем теоретически прогнозировать этот состав при любом сырье и энергоподводе.

2. Разработаны средства компьютерной поддержки метода расчета фракционного состава.

3. Полученные результаты использовались для расчета модернизации технологической линии измельчения в ТОО «Экохиммаш», г. Буй, а также применяются при проведении научных и промышленных исследований в Королевском технологическом институте, Швеция.

Автор защищает:

1. Математическую модель расчета фракционного состава материала при измельчении, основанную на объединении уравнений баланса массы фракций и энергии с принципом максимума энтропии для матрицы измельчения.

2. Результаты численных экспериментов по выявлению влияния на процесс фракционного состава сырья, подводимой энергии и ее распределения между фракциями сырья.

3. Математическую модель прогнозирования формы частиц при измельчении, также основанную на применении принципа максимума энтропии.

4. Результаты опытной проверки разработанных моделей.

Апробация результатов работы.

Основные положения диссертации были доложены и получили одобрение на следующих конференциях:

1. III Международная научно-техническая конференция «Теоретические и экспериментальные основы создания нового оборудования» (Иваново-Плес, 1997).

2. «XVIII Бенардосовские чтения» (Иваново, 1997).

3. The 2nd Israel Conference for conveying and handling of particulate solids (Israel, Jerusalem, 1997).

4. World Congress on Particle Technology 3 (England, Brighton, 1998).

5. XVI Ogolnopolska konferencja inzynierii chemicznej i procesowej (Польша, Краков, 1998).

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ, в том числе 1 монография и 1 методическое указание. [55−68].

Автор считает приятной обязанностью выразить глубокую благодарность и признательность д.т.н., проф. В. П. Жукову (ИГЭУ) и доктору 3. Бернотату (ТУ г. Брауншвейг), являвшимися научными консультантами, а также сотрудникам кафедры ТЭС ИГЭУ д.т.н., проф. С. Г. Ушакову и д.т.н., проф. С. И. Шувалову за помощь в организации и проведении экспериментальных исследований и внедрении результатов в промышленность.

8. Результаты работы использованы при разработке проекта модернизации технологической системы измельчения ТОО «Экохиммаш», г. Буй Костромской области, практическая реализация которой подтвердила спрогнозированное моделью повышение производительности на 27%. Энтропийная модель и ее программное обеспечение использовались на кафедре тепловой и топочной технологии в Королевском технологическом институте, Стокгольм, Швеция.

Список использовавшихся ИСТОЧНИКОВ.

1. Кафаров В. В, Дорохов И. Н., Арутюнов С. Ю. Системный анализ процессов химической технологии. Процессы измельчения сыпучих материалов. М.: Наука, 1985, — 440с.

2. Сидненко П. М. Измельчение в химической промышленности. М.: Химия, 1977.

3. Bernotat, S., Schonert, К.: Size Reduction In: Ullmann’s Encyclopaedia of Industrial Chemistry. VCH, Weinheim, 1998.

4. Андреев C.E., Петров B.A., Зверевич В. В. Дробление, измельчение и грохочение полезных ископаемых. -М.: Недра, 1980.-416с.

5. Ромадин В. П. Пылеприготовление. — М. -JL: Госэнергоиздат, 1953.-519с.

6. Дуда В. Цемент. — М.: Стройиздат, 1981. -264с.

7. Лебедев А. Н. Подготовка и размол топлива на электростанциях. -М.: Энергия, 1969. -520с.

8. Андреев С. Е., Товаров В. В., Петров В. А. Закономерности измельчения и исчисления характеристик гранулометрического состава. -М.: Металлургиздат, 1959. -437с.

9. Линч А. Циклы дробления и измельчения. -ML: Недра, 1980. -343с.

10. Ходаков Г. С. Физика измельчения. ~М.: Наука, 1972. -308с.

11. Математическое описание и алгоритмы расчета мельниц цементной промышленности. / Под ред. М. А. Вердияна. -М.: НИИЦемент.-94С.

12. Мизонов В. Е., Ушаков С. Г. Аэродинамическая классификация порошков. М.: Химия, 1989, — 160с.

13. Осокин В. П. Молотковые мельницы. — М.: Энергия,.

14. Мизонов В. Е. Формирование дисперсного состава и массопотоков сыпучих материалов в технологических схемах измельчения. Дисс. докт. техн. наук. -Москва, 1985. -452с.

15. Бобков С. П. Механическая активизация твердых тел с целью интенсификации гетерогенных процессов. Дисс. докт. техн. наук. -Москва, 1992. -249с.

16. Жуков В. П. Распределенные процессы измельчения-классификации: моделирование, расчет, оптимизация. Дисс. докт. техн. наук. -Москва, 1993.

17. Шувалов С. И. Структурная оптимизация фракционирования порошков. Дисс. докт. техн. наук. -Иваново, 1997.

18. L.G. Austin, Introduction to the mathematical description of grinding as a rate process. Powder Technology, 5 (1971/1972) pp. 1−17.

19. Broadbent, S.R., Callcott, T.G. A Matrix Analysis of Processes Involving particle Assemblies. Phill. Trans. Roy. Soc., 1956, A249, pp. 99−123.

20. Liu, J. Schonert, K.: Modelling of Interparticle Breakage. Proc. 8-th European Symp. on Communition. Vol. 1, Stockholm, 1994, pp. 102 115.

21. Liu, J.: Modellierung der Zerkleinerung in einem Gutbett. Dissertation. Clausthall, 1994.

22. Bertrand D. et al. Evolution of Chemical Composition of Pea Seeds according to particle size during comminution using a markovian process. Proc. of 9-th European Symp. on Comminution. VI. ALBI, 1998, pp. 175−183.

23. Овчинников П. Ф. Дифференциальные и интегральные уравнения кинетики измельчения.// Процессы в зернистых средах.-Иваново.-1989.-с. 3−8. 36.

24. Мизонов В. Е., Жуков В. П., Ушаков С. Г. О расчете дисперсного состава сыпучих материалов при измельчении. ТОХТ, 1988, № 3, с. 427−429.

25. Жуков В. П., Мизонов В. Е. Моделирование и расчет совмещенных процессов измельчения и классификации. Изв. ВУЗ «Горный журнал», 1990, № 5, с. 126−129.

26. Мизонов В. Е., Жуков В. П., Горнушкин А. Р. Аналитическое решение обобщенного уравнения кинетики измельчения. Изв. ВУЗ «Химия и хим. технология», 1989, т.32, № 6, с. 115−117.

27. Жуков В. П., Греков А. В., Мизонов В. Е. Влияние фракционного состава мелющих тел на кинетику измельчения. ТОХТ, 1993, т. 27, № 2, с. 199−201.

28. Мизонов В. Е. Кризис популяционно-балансовой модели и новые подходы к моделированию процессов измельчения. Тез. докл. Международной НТК «VIII Бенардосовские чтения», 1997, Иваново, с. 87.

29. Р.С. Kapur. An improved method for estimating the feed-size breakage distribution functions. Powder Technology, 33 (1982) 269 275.

30. H. Berhiaux, J.Dodds. A new estimation for the determination of breakage and selection parameters in batch grinding. Powder Technology 94 (1997) 173−179.

31. Мизонов В. Е. Некоторые закономерности селективного измельчения.// Теор. осн. хим. технологии. -1984. -т. 18. -N3. с. 410−411.

32. Mizonov V., Zhukov V. Mathematical Description of Distributed Comminution Process//Technology Today. 1991. No. 4, pp.203−206.

33. De Silva, S.R.: Air Classifiers. State of the Art and Future Potentials. POSTEC RESEARCH, Porsgrunn, 1991.

34. Kaye, B.H.: A Shape Characterisation of Angular Structured Particles. Pre-prints of 6-th European Symp. Particle Characterisation (PARTEC 95), Niirnburg, 1995, pp. 67−77.

35. Beddow, J.K.: Particle Characterisation in Technology. Vol. II. Morphological Analysis. CRC Press, 1984.

36. Meloy, T.P.: Particulate Characterization. J. Powd. and Bulk Solids Techn. 2(1978)2, 13−23.

37. Kaye B.H. Shape Characterization. PARTEC95. Nurnberg, 1995, pp. 67−77.

38. Beck M., Sommer K. Particle Size and Shape Analysis of Fibers by Automatic Image Analysis. PARTEC95. Nurnberg, 1995, pp. 79−89.

39. Kaye B.H. Fascinating Powder Technology. Proc. of 6-th European Symp. on Particle Characterization. PARTEC95. Nurnberg, 1995, pp. 1−15.

40. Осокин В. П., Ушаков С. Г., Мизонов B.E. Повышение производительности шаровых барабанных мельниц//Эл. станции .- 1987 № 4 .- с. 25−27.

41. Kaye B.H. Fractal Dimensions in Data SpaceNew Descriptors for Fine Particle Systems. Part. Part. Syst. Charact. 10 (1993), 191−200.

42. Kaye B.H. Applied Fractal Geometry and the Fineparticle specialist. Part. I Part. Part. Syst. Charact. 10 (1993), pp. 99−110.

43. Мизонов B.E., Мальмгрен А., Отвински X. Движение твердых частиц в струе перед преградой//Изв. ВУЗ «Химия и хим. технология" — 1992, № 11−12, с. 144−146.

44. Ткаченко А. С., Ривкин А. С. Методические указания по проведению лабораторной работы «Определение коэффициента размолоспособности топлив по методу ОР-ВТИ» под ред. Бахирева В. А., ИЭИ, 1980, 27 с.

45. Furuuchi, М., Gotoh., К.: Shape Separation of Particles. Powder Technology 73, (1992) 1−9.

46. Yamamoto, K., et al.: An Assessment of the Mechanism of Particle Shape Separation by a Rotating Conical Disk with a Spiral Scraper KONA, 8 (1990) 55−66.

47. Jaynes, E.T.: Informational Theory and Statistical Mechanics. Physical review, 4 (1957).

48. Майков В. П., Цветков А. А. Проектирование ректификационных колонн. Информационный подход, учебное пособие. — М.: МИХМ, 1997.

49. Wilson, A.G.: Entropy in Urban and Regional Modelling. Pion Limited, London, 1970.

50. Конышев И. И. Основы феноменологической теории измельчения. Курс лекций. — Иваново, ИГЭУ, 1996.

51. Зайцев А. И., Бытев Д. О. Ударные процессы в дисперсных системах. -М.: Химия, 1994, 178 с.

52. Эльсгольц Л. Э. Дифференциальные уравнения и вариационное исчисление. М.: Наука, 1969.

53. Schlechter, R.S.: The Variational Method in Engineering. McGraw-Hill Book Company, 1967.

54. Stoecker, W.F.: Design of Thermal Systems. 3-d Edition. McGraw-Hill Book Company, 1989.

55. В. П. Жуков, B.E. Мизонов, П. В. Филичев, С. Бернотат. Моделирование процесса измельчения с использованием принципа максимума энтропии. Powder Technology, 1998 pp. 248−253.

56. V. Mizonov, V. Zhukov, S. Bernotat, P. Filitchev. Simulation of Grinding: New Approaches. ISPU Press, 1996,108 p.

57. В. П. Жуков, B.E. Мизонов, П. В. Филичев, С. Бернотат. Применение принципа максимума энтропии к прогнозированию процессов измельчения, Теор. основы хим. технологии, 1998, т. 32, № 2, с. 183−187.

58. В. Е. Мизонов, В. П. Жуков, П. В. Филичев. Прогнозирование формы и размеров частиц при измельчении, Химическая промышленность, 1995, № 8, сс. 71−74.

59. В. П. Жуков, В. Е. Мизонов, В. П. Майков, П. В. Филичев. Энтропийный метод в моделировании процесса измельчения, Химическая промышленность, 1994, № 8, сс. 42−45.

60. В. Е. Мизонов, В. П. Жуков, А. Р. Горнушкин, П. В. Филичев. Расчет гранулометрического состава продуктов измельчения на основе принципа максимума дифференциальной энтропии. Химия и химическая технология. 1996, т. 36, вып. 6, стр. 101 103.

61. В. Е. Мизонов, В. П. Жуков, П. В. Филичев. Энтропийные методы в моделировании процессов измельчения, Хим. пром., 1995, № 8, с.127−131.

62. V. Mizonov, V. Zhukov, P. Filitchev. Vorhersage von Partikelformund-abmessungen bei der Zerkleinerung Verfahrenstechnische Berichte, 1996, p. 611,23−24.

63. П. В. Филичев. Об одном подходе к моделированию процессов измельчения. Тез. докл. Международн. НТК «VIII Бенардосовские чтения», 4−6 июня 1997, Иваново, с. 275.

64. V. Zhukov, V. Mizonov, P. Filitchev, S. Bernotat. Modelling of Grinding Processes by means of the principle of maximim entropy The 2nd Israel conference fro conveying and handling of particulate solids, May 26−28, 1997.

65. B.E. Мизонов, В. П. Жуков, П. В. Филичев. Новый подход к моделированию процесса измельчения Сб. докл. Международной НК «Теоретические и экспериментальные основы создания нового оборудования». Иваново-Плес, 1997, с.62−69.

66. V. Zhukov, V. Mizonov, P. Filitchev, S. Bernotat. Entropy approach to modeling a process of comminution XVI ogolnopolska konferencja inzynierii chemicznej i procesowej, Краков, 1998.

67. V. E. Mizonov, V. P. Zhukov, P. V. Filitchev, S. Bernotat. Application of the principle of maximum entropy to predicting particle size and shape distribution in ground materials. Proc. of the 3-d World Congress on Particle Technology. Brighton, 1998.

68. V. Mizonov, V. Zhukov, P. Filitchev, N. Tochyonova. Selected Mathematical Problems of Particle Technology. ISPU Press, 1997, 12 p.

АКТ ВНЕДРЕНИЯ.

Мы, нижеподписавшиеся, представитель Заказчика — Генеральный директор ТОО «ЭКОХИММАШ» Смирнов A.C. и представители Исполнителяпрофессор кафедры ТЭС ИГЭУ Шувалов С. И. и аспирант кафедры ПМ ИГЭУ Филичев П. В. составили настоящий акт о том, что Исполнителем разработан проект модернизации размольной установки с шаровой барабанной мельницей Ш-1 и проведены пуско-наладочные испытания. В результате модернизации за счет включения в линию центробежного классификатора и изменения режима работы мельницы при измельчении порошка марки ПСБ производительность установки увеличилась на 27%, одновременно повысилось качество готового порошка.

Экономический эффект от внедрения разработки не рассчитывался.

От Исполнителя.

С.>Смйрнов.

Lу—.

С.И. Шувалов ff" q>e (Iju4J 1999 г.

KUNGL.

TEKNISKA.

HOGSKOLAN.

Royal Institute of Technology Department of Metallurgy Heat and Furnace Technology.

Wlodzimierz Blasiak Associate Prof, tel. 46 8 7 908 405 fax 46 8 205 204.

Stockholm 98.06.17.

Prof. Vadim Mizonov Department of Applied Mathematics Ivanovo State Power Engineering University Ivanovo, Russia.

Information on scientific co-operation between Royal Institute of Technology (Sweden) and Ivanovo State Power Engineering University (Russia).

In the scope of the agreement on co-operation between the Division of Heat and Furnace Technology at the Royal Institute of Technology, Stockholm, Sweden, and the Department of Applied Mathematics at Ivanovo State Power Engineering University, Ivanovo, Russia, the following scientific results obtained by PhD students under supervision of Prof.V.Mizonov and Prof.V.Zhukov, were transferred to our division, and are used in developing scientific and industrial research projects:

— entropy approach to modelling particle size distribution after comminution and atomisation (PhD student P. Filitchev);

— application of combinatorial theory to modelling particle size and shape distribution (PhD student l. Novoseltsev);

— matrix modelling of complex technological systems (PhD student S. Novoseltseva).

Yours sincerely,.

Wlodzimierz Blasiak.

Head of Div. of Heat and Furnace Technology.

Postal Address: Department of Metallurgy Heat and Furnace Technology.

Visiting Address: Brinellvagen 23 Stockholm.

Telephone: +46 8 790 60 00 www-. http://hallands.met.kth.se:8000.

Varmeoch Ugnsteknik S-100 44 STOCKHOLM.

Telefax: +46 8 20 52 04.