Оптимизация конструкции сушильного барабана на основе системного анализа процесса

АННОТАЦИЯ

В статье анализируются процесс производства суперфосфатных минеральных удобрений, проблемы и конструкция применяемого оборудования. На основе анализа предложена усовершенствованная конструктивная схема двухэлементной насадки барабанной сушилки. Предлагаемое сопло было систематически проанализировано с аналогичными конструкциями, и было изучено влияние на процесс теплообмена в барабанной сушилке. Программа MATLAB использовалась для многоступенчатого анализа и расчета параметров в рабочей зоне барабанной сушилки.

ABSTRACT

The article analyzes the production process of superphosphate mineral fertilizers, problems and design of the equipment used. On the basis of the analysis, an improved design scheme of a two-element drum dryer packing is proposed. The proposed nozzle was systematically analyzed with similar designs, and the effect on the heat transfer process in the drum dryer was studied. MATLAB software was used for multi-stage analysis and parameter calculation in the working area of the drum dryer.

Ключевые слова: насадка, системный анализ, барабанная сушилка, суперфосфат, поверхность теплообмена.

Keywords: packing, system analysis, drum dryer, superphosphate, heat exchange surface.

Введение

В настоящее время растет потребность качественной сушки продуктов в химической, пищевой, сельскохозяйственной и других отраслях промышленности. Одна из основных причин этого заключается в том, что качество продукта зависит от исходной влажности сырья. Поэтому важно изучить возможность энергоэффективного сочетания конвективной, инфракрасной и микроволновой энергии в процессе сушки, выбрать оптимальные варианты реализации и конструкции и на этой основе обеспечить экспортное качество продукции. В частности, сушка является одним из основных процессов при производстве минеральных удобрений, и от этого процесса зависят зернистость, качество и экспортные свойства удобрений [4; 1; 7; 11]. Поэтому важно проводить исследования в данной области.

На основании изложенного были проанализированы существующие проблемы процесса производства суперфосфатных минеральных удобрений цеха АС-72М АО «Farg’onaazot» – одного из крупнейших химических предприятий Республики Узбекистан. На рис. 1 представлена технологическая схема производства суперфосфатных минеральных удобрений.

Рисунок 1. Технологическая схема производства суперфосфата:

1 – барабанный сушильный аппарат; 2 – барабанный гранулятор; 3 – горизонтальный смесительный реактор; 4 – калорифер; 5 – вертикальный смесительный реактор; 6 – ковшовый элеватор; 7 – молотковая дробилка; 8 – сито; 9 – циклон НИОГАЗ; 10 – полый скруббер; 11 – вентилятор; 12 – центробежный насос; 13 – ленточный конвейер; 14 – бункер-питатель; 15 – барабанный охладитель

Аналитические методы исследования. Известно, что процесс производства суперфосфатных удобрений на АО «Farg’onaazot» включает: смешение мелочи фосфорита с серной кислотой в реакционном среде, гранулирование смеси с распылением сульфата аммония, сушка гранулированных удобрений, разделение на гранулометрические составлящие согласно регламенту и упаковка готовых продуктов [9]. Разработанная технологическая схема считается энергетически эффективной по сравнению с существующими классическими линиями такого типа. К сожалению, качество и экспорт производимых продуктов не отвечают нынешним требованиям. С целью определения исследуемой проблемы проведен системный анализ в двух стадиях.

Результаты аналитического исследования. На первой стадии был определен гранулометрический состав произведенного минерального удобрения и измерены температура и влажность материала. При проведении экспериментов использовались рекомендованные стандартные методики. По данной методике удобрение сортировано в 5-ступенчатой лабораторной установке СМЦ-25 в течение 10 минут. Размеры ячейки сита были 1, 3, 5 и 10 мм. На основании полученных результатов удобрение было разделено на фракции в процентном отношении [6].

Анализ зернистого состава удобрения представлен на табл. 1. На рис. 2 приведены общие виды удобрения по отдельным фракциям.

Таблица 1.

Анализ зернистого состава удобрения

Менее 1 мм                            от 1 до 3 мм                 от 3 до 5 мм

от 5 до 10 мм                                  выше 10 мм

Рисунок 2. Общий вид удобрения, разделенного на фракции

Температура удобрения, поступающего в барабан, составляла 100 °С, а его влажность – 26,4 %. При выходе из сушильного барабана температура составила 70 °С при влажности 14,39 %. Полученные результаты показывают, что линия производства удобрения не соответствует заданным регламентом требованиям (гранулометрический состав удобрения по технологическому регламенту – 3 ÷ 5 мм, влажность не превышает 10 % и температура готового продукта в интервале 35 ÷ 40 °С). Кроме того, при размерах удобрений менее 3 мм требуется их повторное гранулирование с целью укрупнения гранул, а для удобрений более 5 мм – их измельчение. Это, в свою очередь, увеличивает количество энергии, потребляемой в процессе. Возникновение этого состояния связано с процессами теплообмена в сушилке, что обусловлено переходом гранулированного удобрения в сушилку и отсутствием там достаточного контакта с тепловым агентом. Корпус барабанной сушилки в процессе изготовления оснащен стандартной Г-образной насадкой [8–10], конструкция этого типа плохо адаптирована к распределению, и при ее выборе не учитывались физические свойства производимого удобрения. На рис. 3 представлена схема оснащения Г-образной насадки, что наглядно показывает схему распределения высушиваемого материала по поперечному сечению барабана, где существует зона «А», не закрытая завесой падающего материала.

Рисунок 3. Схема открытых и закрытых зон поперечного сечения сушилки, оснащенной Г-образными насадками

Как видно из рис. 3, теплоноситель проходит через зону с наименьшим сопротивлением, то есть через зону «А». Это приводит к следующим негативным последствиям:

• увеличение зоны «А» в сушилке снижает полное и эффективное использование теплоносителя. Это приводит к снижению интенсивности теплообмена между теплоносителем и высушиваемым материалом, снижению скорости процесса сушки;
• скорость потока теплоносителя увеличивается из-за наличия зоны «А» в поперечном сечение сушилки. В свою очередь, за счет увеличения скорости потока происходит унос мелких частиц потоком теплоносителя;
• увеличение зоны «А» в сушилке вызывает повышение температуры отходящих газов из барабана и снижение энергетической эффективности процесса сушки.

Опыт работы барабанных аппаратов показывает, что изменение угла наклона по линии барабанной оси стандартных насадок на сушильном барабане не обеспечивает существенного увеличения площади, покрываемой высыпающимся материалом. Если насадка установлена по линии барабана, площадь полосы будет максимальной, но она не будет достаточной. Справа и слева от поверхности барабана образуются открытые зоны «А». Наряду с другими техническими мероприятиями, предназначенными для расширения площади, покрываемой высыпающимся материалом, используются шахматный порядок насадок и гребневая кромка насадки. Однако сечение барабана остается открытым на 30–40 % поверхности. Оптимальным решением уменьшения открытой зоны «А» в сушилке являются выбор подходящей для процесса насадки и совершенствование ее конструкции.

В настоящее время в этом направлении ведется большая научно-исследовательская работа, в качестве перспективного варианта представлены двухчастные насадочные конструкции. На основании этого была разработана улучшенная схема конструкции насадки. На рис. 4 представлена схема установки насадки на барабан.

Рисунок 4. Схема установки предлагаемой насадки на барабан:

1 – барабанный корпус; 2 – первая часть 2-го сопла; 3 – вторая часть 3-го сопла

Преимущество форсунки перед существующими конструкциями состоит прежде всего в том, что ее выливающаяся часть материала образует определенный уклон, что обеспечивает резкое сокращение открытых зон «А» в сушилке. Во-вторых, детали установлены на полукруглой конструкции, что предотвращает застревание материала в насадке.

Рисунок 5. Установка предлагаемой насадки на барабан

Для испытания предложенной насадки в реальных производственных условиях, оценки ее воздействия на открытую зону «А» была разработана конструкция насадки и установлен цех АС-72М АО «Farg’onaazot» на барабанную сушилку при производстве суперфосфатных минеральных удобрений. На рис. 5 показана установка насадки на барабан.

Для оценки влияния насадки на открытые зоны «А» в сушилке были получены и проанализированы фотографии. По результатам анализа разбросанного материала по сечению поверхности барабана площадь составила 5,9 м², а открытая зона «А» – 0,5 м². Результаты сравнивали с существующими конструкциями. Для полного сравнения параметров и снижения ошибки результатов был использован многофакторный системный анализ [2]. Систематический анализ проводился в следующей последовательности. На первоначальном иерархическом уровне проанализированы барабанные сушилки и насадки различных конструкций, применяемые при сушке минерального суперфосфата. Определены входные и выходные параметры системы. На втором иерархическом уровне были замечены элементы для передачи горячего воздуха и сырья, тепловая и зона обмена веществ и элементы для выпуска использованного горячего воздуха и сырья. Были определены параметры ввода и вывода каждой вспомогательной системы. На третьем иерархическом уровне наблюдалось взаимодействие фаз, общий рабочий объем сушилки и объем сушилки, заполненный насадкой. Были определены параметры ввода и вывода.

На четвертом иерархическом уровне наблюдались потоки фаз, общие контактные поверхности фаз, наличие неработающих зон и время нахождения в аппарате. Были определены параметры ввода и вывода. При расчете многоступенчатого анализа и параметров в рабочей зоне барабанной сушилки использована программа MATLAB. На рис. 6 приведены результаты анализа.

Рисунок 6. Схема четырехступенчатого этапа иерархического системного анализа

Информация, представленная на рис. 6, позволяет найти типы насадок, которые могут применяться в процессе, их рабочие параметры и оптимальные режимы. В этом случае важен каждый столбец четырех иерархических уровней. Для оценки влияния конструкций насадок на взаимный теплообмен и выбор оптимальной конструкции в ходе исследования с использованием результатов анализа исследованы влияние сушильного агента и его влияние на температуру продукции по зонам насадки (в существующем производстве насадочные зоны были размещены шахматным способом и состояли из пяти рядов) и построен сравнительный график (рис. 7).

Рисунок 7. График изменения температуры в зависимости от типа насадки:

1 – Г-образная насадка; 2 – подъемная лопастная насадка; 3 – секторная насадка; 4 – X-образная насадка; 5 – предлагаемая двухкомпонентная насадка

Из графических зависимостей на рис. 7 видно, что температура выхода удобрения из сушилки на Г-образной насадке составляла 70 °С, 65,1 °С – на подъемной лопастной насадке, 50 °С – в секторной насадке, 43 °С – в X-образной насадке и 35 °С – в предлагаемой насадке, состоящей из двух частей. Это можно объяснить тем, что в процессе работы увеличение или уменьшение завесы материала на режущей поверхности барабана зависит от конструкции насадки. Это, в свою очередь, оказывает значительное влияние на температуру удобрения. По мере прохождения зоны насадки влажность материала переходит к сушильному агенту, его температура снижается. Однако усложнение конструкции насадки и увеличение габаритных размеров приводит к увеличению гидравлических сопротивлений в сушилке. Следующие эмпирические формулы были получены с использованием метода наименьших квадратов для графических зависимостей, показанных на рис. 7 [3; 5].

;                                                            (1)

;                                                     (2)

;                                                       (3)

;                                                       (4)

.                                                          (5)

Вывод. Проведен анализ конструкции насадки барабанной сушилки, используемой при производстве исследуемого удобрения, ее рабочих параметров, системы насадок различной конструкции, и на основе анализа рекомендована усовершенствованная конструкция насадки, состоящей из двух частей. Предложенная конструкция насадки была применена в реальных производственных условиях, и экспериментально установлено, что она полностью удовлетворяет требованиям технологического регламента.

Список литературы:

1. Алтухов А.В. Методология совершенствования и расчета барабанных сушильных агрегатов: Автореф. дис. … д-ра наук. – Шымкент, 1999. – 312 с.
2. Артиков А.А. Компьютерные методы анализа и синтеза химико-технологических систем. – Ташкент : Voris nashriyot, 2012. – 457 с.
3. Доспехов Б.А. Методика полевого опыта. – М. : Колос, 1978. – 335 с.
4. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. 3-е изд., перераб. – 1973. – 752 с.
5. Кобзарь А.И. Прикладная математическая статистика. Для инженеров и научных работников. – М. : Физматлит, 2006. – 816 с.
6. Коузов П.А. Основы анализа дисперсного состава промышленных пылей и измельченных материалов. – Л. : Химия, 1971. – 280 с.
7. Михайлов Ю.Ю. Сушка компонентов шихты стекольных и керамических производств в барабанной сушилке. – 2009. – 203 с.
8. Салимов З. Кимёвий технологиянинг асосий жараёнлари ва қурилмалари. Т. 2. – Тошкент : Ўзбекистон, 1995. – 384 с.
9. Шамшидинов И. Ноорганик моддалар ва минерал ўғитлар технологияси. – Тошкент : Иқтисод-молия, 2014. – 332 с.
10. Юсупбеков Н.Р., Нурмуҳамедов Ҳ.С., Зокиров С.Г. Кимёвий технология асосий жараён ва қурилмалари. – Тошкент : Фан ва технологиялар, 2015. – 848 с.
11. Tojiev R.J. Drying glass feed stock in drum drier for manufacturing glass products // Scientific-technical journal. – 2019. – Т. 22. – № 3. – С. 137–140.