CC BY
23
УДК 66.066
Я. С. Мухтаров, Р. Ш. Суфиянов, В.А. Лишков
АНАЛИЗ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ОБЕЗВОЖИВАНИЯ ОСАДКОВ
Ключевые слова: влагосодержание, механическое обезвоживание, сушка, оптимизация.
Проведен анализ затрат на проведение механического отделения жидкой фазы и сушки влажного материала на основе сквозного оптимизирующего параметра.
Keywords: moisture, mechanical dewatering, drying, optimization.
The analysis of the costs of the mechanical separation of the liquid phase and the drying of the wet material on the basis of through optimizing parameter.
Современные химические предприятия состоят из большого числа взаимосвязанных подсистем, между которыми существуют отношения со-подчиненности в виде иерархической структуры. Каждый типовой процесс, осуществляемый в отдельном аппарате химико-технологического комплекса, рассматривается как подсистема, имеющая входы и выходы. Основу следующей ступени иерархии составляют агрегаты, т.е. взаимосвязанная совокупность отдельных типовых процессов и аппаратов, осуществляющая рекуперацию материальных и энергетических ресурсов. Последовательное сочленение аппаратов дает возможность рассматривать их как единую систему, точку приложения управляющих воздействий к которой следует искать во всех объектах этой системы. Характер функциональных связей в значительной степени зависит от типа аппаратов и особенностей их работы и оценивается, в конечном счете, по технико-экономическому критерию.
Тенденции развития техники, связанной с удалением жидкостей связаны с разработкой новых решений, основанных на совмещении отдельных стадий процесса и конструированием комбинированных аппаратов. В литературе достаточно широко представлены примеры такого рода: удаление и улавливание растворителей понижением давления [1-3], комбинированные сушилки для трудносохну -щих материалов, в которых на различных стадиях осуществляется сушка при разных гидродинамических режимах [4], сушка с измельчением и грануляцией [5], объединение в общий комплекс дозирующих устройств, сушильного оборудования и пылеуловителей [6] и т.д.
При проведении процесса отделения жидкой фазы от осадка, осуществляемого в условиях производства с различными целями, наиболее эффективным является применение двухстадийного «обезвоживания», включающего механическое отделение жидкости и сушку влажного осадка. В связи с тем, что оба используемых процесса являются достаточно энергоемкими, то проблема определения оптимальных условий проведения процессов с целью снижения энергетических затрат, является актуальной и представляет интерес для исследований.
Влагосодержание твердой фазы, с одной стороны, зависимо и чувствительно к изменениям конструктивных и режимных параметров аппаратов системы, а с другой - влияет на качественные пока-
затели конечного продукта и экономические характеристики функционирования системы. С учетом этих обстоятельств возможно базирование критерия эффективности расчетов системы на указанном сквозном оптимизурующем параметре - влагосо-держании (W).
На рис. 1 представлена функциональная схема процесса отделения жидкой фазы от осадка.
Задачей оптимизации (при прочих равных условиях для конкурирующих вариантов) является выражение критерия эффективности (В ), как функции от влагосодержания продукта. В этом случае оптимальные значения переходных влагосодержа-ний W и W определяют экстремум целевой функции [7]
В = ехК В^0*р,^0*Р,). (1)
В качестве примера рассмотрим процесс удаления жидкой фазы из тонкодисперсной суспензии в химико-технологической системе аппаратов «фильтрующая центрифуга - аппарат предварительной сушки - аппарат досушки». В качестве критерия
Рис. 1 - Функциональная схема отделения жидкой фазы: 1 - аппарат механического обезвоживания, 2 - аппарат предварительной сушки, 3 -аппарат досушки; W0 - влагосодержание на
входе в систему, W - влагосодержание на выходе из 1-го аппарата, W - влагосодержание на выходе из 2-го аппарата, Wк - влагосодер-жание на выходе из системы
эффективности примем величину удельных приведенных затрат В, [руб/кг], которую необходимо минимизировать.
На рис. 2 представлены условные зависимости затрат на процесс удаления жидкой фазы из
влажного материала различными аппаратами, рас-
Рис. 2 - Графики зависимости удельных приведенных затрат удаления жидкой фазы от материала в зависимости от применяемого оборудования: 1 - центрифуга; 2 - аппарат предварительной сушки; 3 - аппарат досушки; 4 -центрифуга + аппарат досушки
смотренные в работах [8, 9].
Анализ графиков показывает, что зависимость величины удельных приведенных затрат на проведение процесса отделения жидкой фазы от материала центрифугированием Вц нелинейна и круто
возрастает по мере приближения к некоторому значению Wh - влагосодержанию материала, ниже которого при данных условиях проведения процесса (при данном факторе разделения) удаление жидкой фазы центрифугированием становится невозможным.
Затраты на проведение процесса отделения жидкой фазы с помощью сушильных аппаратов линейно снижаются по мере уменьшения влагосодер-жания. Рассмотрение суммарной зависимости затрат удаления влаги на комплексе аппаратов (центрифуга + аппарат досушки) показывает, что существует четко выраженный минимум, что позволяет сделать вывод о возможности определения оптимальных параметров функционирования комплекса «центрифуга - сушилка», при которых можно достичь требуемого технологией влагосодержания при минимально-возможных затратах.
С точки зрения снижения затрат на проведение процесса обезвоживания в целом целесообразно исходную суспензию или высоковлажный материал обрабатывать на центрифуге до достижения некоторой величины влагосодержания W , а затем передавать на досушку в сушилку.
Сушка в аппарате должна проводится до влагосодержания, соответствующего пересечению прямых 2 и 3 - достижения второго переходного влагосодержания W и, так как в интервале влаго-содержаний [ W , Wк ] удельные затраты на отделение жидкой фазы на аппаратах предварительной сушки (Впс) больше аналогичных затрат, чем в аппарате досушки (Вад), то материал необходимо направлять, во второй аппарат в котором обрабатывать
его до конечного влагосодержания Wк.
Из анализа зависимостей вытекает, что указанная организация процесса является экономически наиболее эффективной, поэтому переходные влагосодержания W и W являются оптимальными и решение задачи оптимального расчета сводится к определению экстремума целевой функции по формуле (1).
Для исходных реальных материалов с различными свойствами приведенная диаграмма может иметь различный вид. Для ряда образцов, вполне вероятно, что линии 2 и 3 могут не пересекаться и в этом случае будет вполне достаточно, если после механического отделения жидкой фазы, дальнейшее удаление жидкости проводить только в одном из сушилок (аппарате предварительной сушки или в аппарате досушки).
Для упрощения анализа введем следующие обозначения: 1 - аппарат механического обезвоживания; 2 - аппарат с жестким режимом сушки; 3 -аппарат с мягким режимом сушки (аппарат досушки). Рассмотрим возможные варианты компоновки комплекса аппаратов удаления жидкой фазы из суспензий и высоковлажных дисперсных материалов [3]:
1) 1 - 2 -3; 2) 1 - 2; 3) 1 - 3; 4) 2 - 3; 5) 1 - 3 -2.
Первый вариант компоновки системы (рис.2) предполагает «классическую» последовательность соединения аппаратов. Исходный продукт - высоковлажный (суспензия), конечное влагосо-держание его низкое, твердая фаза - термолабильна. Примером таких продуктов служат химфармпрепа-раты.
Вариант компоновки 2: обработка высоковлажной дисперсной фазы или суспензии. Конечное влагосодержание продукта требуется сохранять высоким, в процессе сушки удаляется свободная влага. К промышленным материалам подобного рода можно отнести суспензии полимерных материалов - полиэтилена, полиамида, полипропилена.
В системе аппаратов третьего варианта компоновки обрабатываются суспензии и высоковлажные материалы, твердая фаза которых после вла-гоотжима должна быть обработана без интенсивного теплового воздействия в «мягком» тепловом режиме. Это также суспензия химфармпрепаратов.
При четвертом варианте компоновки системы аппаратов количество свободной влаги ограничено и применение механического отжима нецелесообразно, обезвоживание протекает в аппаратах сушки.
Пятый вариант построения комплекса предполагает, что продукт, обезвоженный в аппарате механического отжима, обладает какими-то специфическими характеристиками, препятствующими обработке его в аппарате с активным гидродинамическим режимом.
Таким образом, в зависимости от характеристик исходной суспензии, а также дисперсионной и дисперсной фаз, существующих условий производства, наличия имеющегося оборудования, фи-
нансовых возможностей предприятия, в немалой степени - от сложившихся традиций отрасли, компоновка системы аппаратов может быть весьма различной. Конкуренция при выборе систем аппаратов для любого исходного продукта возможна как между различными вариантами альтернативных технологических систем, так и в пределах одной схемы при варьировании параметров функционирования аппаратов, в ней содержащихся.
Выбор оптимальной технологической схемы производится путем экономико-математического анализа процессов, протекающих в комплексах альтернативных технологических схем и, как ясно из вышеизложенного, в принципе заключается в определении Wopt, Wopt на основе экономико-
математического анализа.
Экономико-математический анализ, в свою очередь, опирается на математические описания процессов, протекающих в аппаратах систем. При этом аппараты назначаются в комплексы либо из имеющихся на предприятии в наличии, либо закупаются типовые установки. Однако первоначальной и важнейшей задачей выработки методики оптимального расчета систем является разработка основных принципов расчета таких систем, как инструмента экономико-математического анализа функционирования аппаратов, в них содержащихся.
Литература
1. В.А. Лашков, С.Г. Кондрашева, Вестн. Казан. технол. ун-та, 20, 122-129 (2011).
2. В.А. Лашков, С.Г. Кондрашева, Вестн. Казан. технол. ун-та, 16, 210-215 (2011).
3. В.А. Лашков, С.Г. Кондрашева, Д.А. Казанцева, Вестник Казанского технологического университета. Вестн. Казан. технол. ун-та, 8, 135-143 (2011).
4. Б.С. Сажин, Основы техники сушки. Химия, Москва, 1984. 320 с.
5. И.М. Разумов, Псевдоожижение и пневмотранспорт сыпучих материалов. Химия, Москва, 1972. 239 с.
6. К.Г. Руденко, М.М. Шамаханов, Обезвоживание и пылеулавливание. Недра, Москва, 1981. 350 с.
7. Л.Г. Голубев, Я.С. Мухтаров, Л.Н. Герке, Международная научная конференция «Математические методы в технике и технологиях (ММТТ-10)» (Тула, 4-6 июня, 1996). Сб. трудов. Тула, 1996. Т.10. С.145.
8. Л.Г. Голубев, Я.С. Мухтаров, V Всесоюзная научная конференция «Математическое моделирование сложных химико-технологических систем» (Казань, 1988). Сб. трудов. Казань, 1988. С. 108.
9. С.Г. Кондрашева, В.А. Лашков, Л.Г. Голубев, Я.С. Мухтаров, Международный форум по проблемам науки, техники и образования «III тысячелетие - новый мир» (Москва, 4-7 декабря 2007). Сб. трудов, Москва, 2007. Т. 2. С. 55-57.
© Я. С. Мухтаров - д.т.н., проф. каф. машиноведения КНИТУ; Р. Ш. Суфиянов - к.т.н., доц. Московского госуд. машиностроительного ун-та; В. А. Лашков - д.т.н., проф., зав. каф. машиноведения КНИТУ, lashkov_dm@kstu.ru.
