Робастність процесу зневоднення та грануляції в грануляторі з псевдозрідженим шаром

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний технічній університет України

“Київський політехнічний інститут”

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

05.17.08 - Процеси та обладнання хімічної технології

Робастність процесу зневоднення та грануляції в грануляторі з псевдозрідженим шаром

Складанний Денис Миколайович

Київ - 2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі кібернетики хіміко-технологічних процесів Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут” Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: д.т.н., професор Статюха Геннадій Олексійович, Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут” Міністерства освіти і науки України, завідувач кафедри кібернетики хіміко-технологічних процесів.

Офіційні опоненти:

д.т.н., старший науковий співробітник Пєтухов Аркадій Дем'янович, ВАТ “Український науково-дослідний і конструкторський інститут по розробці машин і устаткування для переробки пластичних мас, гуми і штучної шкіри” Міністерства промислової політики України, м. Київ, директор випробувального центру;

к.т.н., старший науковий співробітник Орлик Володимир Миколайович, Інститут газу Національної академії наук України, м. Київ, провідний науковий співробітник.

Провідна установа: Національний університет “Львівська політехніка” Міністерства освіти і науки України, м. Львів, кафедра хімічної інженерії.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, к.т.н., професор В.Я. Круглицька

Анотація

Складанний Д.М. “Робастність процесу зневоднення та грануляції в грануляторі з псевдозрідженим шаром”. Дисертація на здобуття ступеню кандидата технічних наук за спеціальністю 05.17.08 - Процеси та обладнання хімічної технології. Рукопис. Київ, 2003 рік.

В роботі запропоновано узагальнення та нове вирішення наукового завдання пошуку стабільних умов проведення процесу зневоднення та грануляції гетерогенних композитивних систем у псевдозрідженому шарі. Розроблено кількісну оцінку якості дисперсного складу гранульованого продукту та на її основі методи визначення збоїв технологічного режиму та впливу хімічного складу композитивної рідини на якість готового продукту. Розроблено методику пошуку областей стійкої кінетики гранулоутворення та знайдені такі області для процесу гранулювання розчину сульфату амонію з різними додатками гумінових речовин. На основі вказаної методики розроблено методику пошуку оптимальної швидкості теплоносія в апараті. Запропоновано кількісну оцінку стабільності кінетики гранулоутворення. Розширено підхід Тагучі до робастності процесів та показано результати його використання для оптимізації досліджуваного процесу. Оптимальними умовами проведення процесу визначено компромісні між умовами, що забезпечують робастність виходу гранульованого продукту, мінімальні втрати якості дисперсного складу продукту та стабільність кінетики гранулоутворення. Результати дослідження підтверджені експериментально.

Ключові слова: грануляція у псевдозрідженому шарі, підхід Тагучі до робастності, планування експерименту, якість гранульованого продукту, кінетика гранулоутворення, компромісне технологічне рішення.

Аннотация

Складанный Д.Н. “Робастность процесса обезвоживания и грануляции в грануляторе с псевдоожиженным слоем”. Диссертация на соискание степени кандидата технических наук по специальности 05.17.08 - Процессы та оборудование химической технологии. Рукопись. Киев, 2003 год.

В работе предложено обобщение и новое решение научной задачи поиска стабильных условий проведения процесса обезвоживания и грануляции гетерогенных композитивних систем в псевдоожиженном слое путем поиска робастных условий проведения процесса. Проанализированы современные методы стабилизации процессов гранулирования растворов и суспензий в аппаратах с псевдоожиженным слоем, а также современные методы поиска робастных, то есть нечувствительных к определенным воздействиям, условий проведения процессов. Показаны преимущества использования подхода Тагучи к робастности, а также результаты его использования при оптимизации различных процессов.

На основе функции потерь Тагучи предложена количественная оценка качества дисперсного состава гранулированного продукта на базе статистических характеристик распределения гранулированного продукта по диаметрам. На основе указанной количественной оценки разработаны и апробированы методы определения сбоев технологического режима и влияния химического состава композитивной жидкости на качество готового продукта. Сбои технологического режима проведения процесса определяются по пикам функции потерь качества дисперсного состава продукта. Анализ влияния химического состава композитивной жидкости на качество гранулированного продукта производится с использованием предложенных в работе удельных характеристик: удельных потерь качества за единицу времени и удельных потерь качества на единицу массы полученного продукта.

Показано, что кинетика образования гранул в псевдоожиженном слое зависит от температурного режима процесса, а также от числа псевдоожижения и отношения перепада давления на слое к эквивалентному диаметру частиц слоя. Учитывая это, в работе разработана методика поиска областей стабильной кинетики гранулообразования на диаграмме “выход гранулированного продукта - число псевдоожижения - ” и найдены такие области для процесса гранулирования раствора сульфата аммония с разными добавками гуминовых веществ. Предложена количественная оценка стабильности кинетики гранулообразования как отношение площадей проекций областей стабильной кинетики гранулообразования и существования процесса на плоскость приведенных параметров. Установлено, что при повышении содержания гуминовых веществ стабильность кинетики проходит через минимум. На основе указанной методики разработана методика поиска оптимальной скорости теплоносителя в аппарате, как такой, при которой обеспечивается стабильность кинетики гранулообразования.

Показаны результаты применения подхода Тагучи к робастности процессов и его модификаций для поиска условий проведения исследуемого процесса. На результатах пассивного эксперимента показана возможность применения подхода Тагучи к исследуемому процессу. В расширение подхода Тагучи к робастности процессов предложено рассматривать статистическую характеристику “сигнал/шум” как параметр оптимизации процесса, и произведено построение моделей для этого параметра. Для проведения основного эксперимента предложен ряд планов, из которых выбран наиболее оптимальный. Представлены результаты проведения експеримента по указанному плану.

В результате расчетов установлено, что при робастных, по отношению к выходу гранулированного продукта условиях, потери качества дисперсного состава превышают допустимые. Таким образом, определено, что оптимальными условиями проведения процесса обезвоживания и грануляции в псевдоожиженом слое являются компромиссные между условиями, обеспечивающими робастность процесса, минимальные потери качества дисперсного состава продукта и стабильность кинетики гранулообразования. По результатам расчетов найдены точечные значения рекомендуемых уровней технологических факторов, а также область, в которой допустимо варьирование этих факторов.

Приведены результаты эксперимента, которые подтверждают правильность полученных результатов.

Ключевые слова: грануляция в псевдоожиженном слое, подход Тагучи к робастности, планирование эксперимента, качество гранулированного продукта, кинетика гранулообразования, компромиссное технологическое решение.

Summary

Denis Skladannyy, “The Robustness of the Process Dehydration and Granulation at Fluidised Bed Granulator”. Dissertation for taking the Candidate degree in technical sciences by speciality 05.17.08 - Processes and Equipment of Applied Chemistry. Manuscript. Kyiv, 2003.

In the research the generalization and new solution of science problem seeking the robust conditions of the process dehydration and granulation heterogeneous composite liquids at fluidised bed granulator are proposed. The new quality index of granulated product dispersion and, based at one, the method of determination the process upsets and influence the composite liquids chemistry to granulated product quality are presented. The method for seeking the arias of robust granule-making kinetic are development and, based at one, such arias for the process of granulation the solution of ammonium sulphate with humid addition are found. Based of last method, the method determination the optimal rate of heat-carrying is development. The robustness index of granule-making kinetic is presented. The Taguchi's robust approach is flared and the results of its application for the process are shown. The optimal conditions of the process are determined the compromise between the robust process yield condition, conditions for minimization of lost quality of granulated product and conditions for assuring the robust granule-making kinetic. The results of the research are confirmed by experiments.

Key words: granulation at fluidised bed, Taguchi's robust approach, experimental design, quality of granulated product, granule-making kinetic, compromised technological solution.

1. Загальна характеристика роботи

робастний зневоднення грануляція гетерогенний

Актуальність теми. Важливою проблемою в світі та, зокрема, в Україні залишається переробка відходів хімічної промисловості на корисні для народного господарства продукти. Так рідкі стоки виробництва капролактаму та гумінові речовини, що знаходяться у відходах вугледобувної промисловості, можна попереробляти на високоякісні органо-мінеральні добрива. Процес переробки полягає у зневодненні та грануляції гетерогенної рідкої системи, що одержується на основі вищевказаних відходів. Одним з найбільш прогресивних методів такої переробки є проведення процесу в одну стадію в грануляторі з псевдозрідженим шаром.

При сучасних світових тенденціях до зростання споживання продукції різних галузей промисловості та екологічній ситуації гостро постає проблема раціонального використання в промисловому виробництві енергетичних та сировинних ресурсів з метою одержання максимальної кількості готового продукту заданої якості. При вирішенні цієї задачі важливу роль відіграє стабільність проведення хіміко-технологічних процесів. Оптимальними умовами проведення процесів все частіше вважаються такі, при яких не лише забезпечується високий вихід готового продукту та задана його якість, а й нечутливість цієї якості до факторів, що не піддаються контролю та керуванню, наприклад, природно-кліматичні, зміна складу сировини, помилки оператора або автоматичних систем керування, акустичні шуми, вібрації, пульсації в апараті, збої обладнання, тощо.

В сучасній промисловості основним методом стабілізації проведення процесу є встановлення додаткового обладнання, що призводить до збільшення капітальних затрат та виробничих площ і не завжди призводить до вирішення питання стабільного проведення процесу. Разом з тим можна досягти таких самих результатів шляхом керування технологічними факторами процесу. Робота є актуальною, оскільки присвячена вирішенню задачі пошуку робастних, тобто стійких до змін певних параметрів, умов проведення процесу зневоднення та грануляції гетерогенних систем у псевдозрідженому шарі з метою поліпшення якості гранульованого продукту шляхом оптимізації та стабілізації роботи апаратів.

Зв'язок робити з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалась у відповідності до державної науково-технічної програми згідно координаційного плану “Розробка наукових основ хімічної технології, створення нових неорганічних речовин та матеріалів, комплексна хімічна переробка мінеральної сировини України” (номер державної реєстрації 0198U007855), а також згідно плану основних напрямків наукової діяльності кафедри кібернетики хіміко-технологічних процесів Національного технічного університету України “КПІ”.

Мета і задачі дослідження. Метою даної роботи був пошук робастних умов проведення процесу зневоднення та грануляції гетерогенних систем у псевдозрідженому шарі. У відповідності до поставленої мети в роботі сформульовані такі задачі:

аналіз сучасних методів стабілізації процесу зневоднення та грануляції гетерогенних систем у псевдозрідженому шарі;

аналіз сучасних методів пошуку стабільних умов проведення технологічних процесів;

розробка методики оцінки впливу технологічних параметрів процесу на стабільність його проведення;

розробка показника якості дисперсного складу гранульованого продукту та проведення ідентифікації математичних моделей для визначення цього показника якості;

розробка плану експерименту по реалізації підходу Тагучі для пошуку робастних умов проведення процесу;

визначення таких умов проведення процесу зневоднення та грануляції гетерогенних систем у псевдозрідженому шарі, при яких забезпечувалась би висока якість одержаного продукту при мінімальному впливі негативних факторів процесу на його якість;

розробка програмного забезпечення для реалізації обраного методу пошуку стабільних умов проведення технологічних процесів.

Об'єктом дослідження в наведеній роботі є процес зневоднення та грануляції композитивних рідких систем, що проводиться у грануляторі псевдозрідженого шару.

Предметом дослідження є технологічні параметри проведення процесу, які впливають на якість одержаного продукту та стабільність зазначеної якості.

Методи дослідження. Основним методом дослідження у представленій роботі є математичне моделювання. Для визначення ступенів впливу технологічних факторів застосовано прийняття рішень на основі параметричної ідентифікації математичних моделей. Для пошуку стабільних умов проведення процесу застосовувався підхід Тагучі та експериментально-статистичне моделювання. При постановці експериментів використано теорію планування експерименту. Для пошуку оптимальних умов застосовано одно- і багатокритеріальну оптимізацію на основі функцій відгуку.

Наукова новизна одержаних результатів. До основних нових наукових результатів виконаної роботи слід віднести такі:

Вперше запропоновано використання підходу Тагучі до забезпечення робастності процесів та його модифікацій до оптимізації процесу зневоднення та грануляції гетерогенних систем у псевдозрідженому шарі.

Вперше запропоновано нормовану функцію втрат якості дисперсних систем на основі параметрів статистичного розподілу - показник якості дисперсного складу гранульованого продукту - та розроблено методику розрахунку коефіцієнтів вказаної функції.

Вдосконалено підхід Тагучі до забезпечення робастності процесів шляхом побудови моделей S/N відношень з наступною їх оптимізацією.

Розроблено експериментально-статистичні моделі процесу зневоднення та грануляції композитивної рідини на основі сульфату амонію.

Вдосконалено метод пошуку оптимальних умов проведення процесу зневоднення та грануляції у псевдозрідженому шарі шляхом пошуку компромісу між робастними умовами проведення процесу та втратами якості дисперсного складу одержаного продукту.

Практичне значення одержаних результатів. Дослідження, проведені в представленій роботі дали змогу розширити можливості аналізу процесу зневоднення та грануляції композитивних рідких систем у псевдозрідженому шарі, зокрема:

розроблено спосіб оцінки якості дисперсного складу гранульованого продукту, що дає додаткові можливості у виявленні емпіричних і теоретичних закономірностей процесу та дозволяє розробити програму автоматичного керування процесом;

розроблено методику оцінки впливу хімічного складу композитивної рідини на якість гранульованого продукту та методику визначення збоїв технологічного режиму проведення процесу;

розроблено методику визначення оптимальної робочої швидкості зріджуючого агента в апараті;

визначено технологічні параметри процесу зневоднення та грануляції розчину сульфату амонію з додатками гуматів, що можуть бути використані про проектувати апарати для проведення процесу;

розроблено спеціальне програмне забезпечення для практичної реалізації підходу Тагучі та його модифікацій.

Результати дисертаційного дослідження впроваджено в Науково-інженерному центрі “Хімічна інженерія” (м. Київ) та в навчальний процес на кафедрі кібернетики хіміко-технологічних процесів Національного технічного університету України “КПІ”.

Особистий внесок здобувача у публікації. У роботах [1, 2] автором запропоновано вид моделей, проведено їх ідентифікацію та виконано інші розрахунки. В роботі [6] автором запропоновано розглядати якість дисперсного складу продукту, розділивши її на параметри розподілу частинок за діаметрами, в продовження чого в роботі [3] автором запропоновано модифіковану нормовану функцію втрат якості дисперсних систем як показник якості процесу зневоднення та грануляції гетерогенних композитивних рідин у псевдозрідженому шарі, на основі якої запропоновано методики визначення збоїв технологічного режиму проведення процесу та впливу хімічного складу композитивної рідини на якість гранулометричного складу продукту. В роботах [4,7] автором запропоновано застосувати підхід Тагучі до забезпечення робастності процесів та математичну модель статистичної характеристики “сигнал-шум” для аналізу процесу зневоднення та грануляції гетерогенних композитивних рідин у псевдозрідженому шарі, проведено розрахунки та запропоновано робастні умови проведення процесу. В роботі [5] автором розроблено програмне забезпечення для реалізації поставлених задач та за його допомогою проведені розрахунки.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційного дослідження доповідалися та одержали схвалення на 39-му Міжнародному семінарі з моделювання та оптимізації композитів - МОК'39, м. Одеса, 2000 рік, 41-му Міжнародному семінарі з моделювання та оптимізації композитів - МОК'41, м. Одеса, 2002 рік та 15-му міжнародному конгресі з хімічної інженері CHISA 2002, м. Прага 2002 рік.

Публікації. За темою дисертаційного дослідження опубліковано 8 наукових праць, в тому числі 5 статей у наукових журналах, 2 матеріали міжнародних наукових семінарів та 1 тези доповідей міжнародного конгресу.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел та додатків. Загальний обсяг дисертації 176 сторінок, в тому числі основна частина - 131 сторінка. Дисертація містить 51 таблицю та 32 рисунки. До дисертації додається 8 додатків на 37 сторінках. Бібліографія містить 83 назви та розташована на 8 сторінках.

2. Основний зміст роботи

В першому розділі “Характеристика сучасного стану проблеми зневоднення та грануляції гетерогенних систем” проведено огляд та критичний аналіз літературних джерел та обрання основних напрямків розв'язку поставленої наукової задачі. На основі розгляду методів грануляції та аналізу матеріалів як об'єктів грануляції показано переваги використання гранулятора з псевдозрідженим шаром для проведення безперервного безрециклового процесу зневоднення та грануляції гетерогенних систем. Детально розглянуто та критично проаналізовано механізм та кінетику процесу гранулоутворення у псевдозрідженому шарі. Проведено критичний огляд сучасних методів оцінки якості дисперсного складу гранульованого продукту. Розглянуто причини дестабілізації та методи стабілізації процесів грануляції у псевдозрідженому шарі. За результатами розгляду запропоновано вирішувати задачу стабілізації процесу, як компромісну між стабілізацією кінетики процесу гранулоутворення, дисперсного складу гранульованого продукту та виходу гранульованого продукту. Запропоновано оптимізувати процес зневоднення та грануляції у псевдозрідженому шарі шляхом пошуку робастних умов його проведення.

У другому розділі “Основні методи досліджень” особлива увага приділена підходу Тагучі до забезпечення робастності процесів, як новому прогресивному підходу до оптимізації процесів та основному методу дослідження в роботі.

У відповідності до підходу Тагучі проектування процесів та виробництв слід поводити так, щоб при цьому вони були робастні (від англ. robust - нечутливий) до умов навколишнього середовища, по відношенню до варіабельностей компонентів та забезпечувати якомога менше розсіювання показників навколо заданого значення. Тагучі рекомендує використання методів експериментально-статистичного моделювання для поліпшення якості.

На відміну від класичного підходу до якості, коли штраф L пропонується тільки у випадках, коли значення показника якості у виходить за межі, тобто L = 0 при y_min < y < y_max, у відповідності до підходу Тагучі пропонується моделювати можливі відхилення від номінального (навіть у межах допусків) значення за допомогою квадратичної функції втрат L(y) = k (y-T)², де L(y) - функція втрат; y - дійсне значення; T - цільове значення; k - коефіцієнт пропорційності.

Реалізація підходу Тагучі до забезпечення робастності процесів потребує постановки експерименту за спеціальним планом, що відповідає таким критеріям:

симетричність;

квазі-D-оптимальність при побудові повної експериментально-статистичної моделі. Досвід використання підходу Тагучі показує, що прийнятним є план експерименту, детермінант дисперсійної матриці якого менше 110^-5;

всі рівні фіксації кожного з факторів мають входити в план експерименту в однакових кількостях.

Для пошуку значень, які забезпечували робастні умови, в підході Тагучі використовується статистична характеристика, що називається “відношення сигнал-шум” (позначається S/N від англійського “signal-to-noise ratio”), що позичена з теорії електричних мереж. Формули розрахунку цієї величини залежать від типу характеристики якості: найбільше - найкраще, найменше - найкраще або номінальне - найкраще. В даній роботі використовується формула розрахунку для типу найбільше - найкраще (параметр оптимізації - вихід гранульованого продукту).

(1)

За результатами розрахунків для всіх факторів будуються графіки y = f(x_i) та S/N = f(x_i), (і = 1,2,..., n) та знаходяться значення факторів, що відповідають максимальним значенням S/N відношень та вихідної величини.

Досвід використання підходу Тагучі при оптимізації процесів в автомобільній, приладобудівній та інших галузях промисловості показав його високу ефективність.

У третьому розділі “Експериментальна частина та методика експериментальних досліджень” описана експериментальна установка, що містить гранулятор з псевдозрідженим шаром та принцип її дії, проаналізовано причини та оцінено граничні значення похибок визначення основних технологічних факторів процесу. Показана загальна методика проведення експериментів на зображеній на рис. 1 установці. При проведенні експериментів використовувалась композитивна рідка система, що являла собою розчин сульфату амонію (NH₄)₂SO₄ концентрацією 40% мас., що містив додатки гуматів 0,3% мас. та стабілізуючих речовин 0,5% мас.

Оптимальним часом відбору частини готового продукту та фіксації основних технологічних параметрів процесу визначено 20 хвилин. Показано особливості проведення експериментальних досліджень статичних (закінчення перехідних процесів фіксується по стабілізації дисперсного складу гранульованого продукту) та динамічних (процес проводиться в максимально можливій кількості режимів) експериментальних досліджень. Результати проведення експериментів по дослідженню динаміки процесу було надано кафедрою машин і апаратів хімічних і нафтохімічних виробництв Національного технічного університету України “КПІ”.

Керованими факторами процесу визначені: T_ВХ - температура теплоносія на вході в апарат; T_Ш - температура псевдозрідженого шару в апараті; P_Ш - перепад тиску на псевдозрідженому шарі. Параметрами оптимізації - вихід гранульованого продукту, дисперсний склад гранульованого продукту. Наведено графіки динаміки керованих технологічних факторів процесу та основних розрахункових величин: - вихід гранульованого продукту, d_e - еквівалентний діаметр частинок у псевдозрідженому шарі, мм, a_f - щільність зрошення поверхні частинок у псевдозрідженому шарі, кг вологи/(м²год.), K_W - число псевдозрідження та відношення , які планується використати для побудови експериментально-статистичних моделей в дослідженні.

Четвертий розділ “Обробка та узагальнення результатів досліджень динамічних режимів протікання процесу” присвячено дослідженню динаміки протікання процесу зневоднення та грануляції вказаної композитивної рідини. Розроблено кількісну оцінку якості дисперсного складу гранульованого продукту - функцію втрат якості дисперсних систем виду (2), що базується на функції втрат Тагучі. Така функція, на відміну від існуючих методик, враховує всі параметри розподілу частинок за діаметрами.

, (2)

де d_e, , As, Ek - поточні значення еквівалентного діаметру, середньоквадратичного відхилення, асиметрії й ексцесу розподілу частинок готового продукту, що розраховуються за результатами ситового аналізу; d_{e st}, _st, As_st, Ek_st - відповідні параметри статистичного розподілу. Очевидно, що величина L безрозмірна. Неважко побачити, що значення d_e = d_est, = _st, As = As_st, Ek = Ek_st відповідають найвищій якості (L = 0). Гранули в псевдозрідженому шарі розподілені за діаметром за законом, близьким до нормального, а впливом ексцесу на якість дисперсного складу можна знехтувати.

Коефіцієнти b_d, b, b_a, b_e формули (2) визначаються з метою врахування ступені впливу кожної з причин втрат якості на загальну якість дисперсного складу, при цьому b 0. Очевидно, що важливі не самі значення коефіцієнтів, а співвідношення між ними. Для визначення коефіцієнтів запропоновано методику, що передбачає чисельне розв'язання інтегральних рівнянь. Для досліджуваного та подібних процесів з високою ступінню точності (похибка не перевищує 5,7 %) можна прийняти b_d = 1, b_a = 0,25, , де d - середнє значення відхилення між поточними значеннями еквівалентного діаметру (одержаними в експерименті або за результатами попередніх досліджень) та заданими. Функція втрат якості гранульованого продукту досліджуваного процесу набуває вигляду:

. (3)

Графіки цієї функції для композитивних рідин складу: сульфат амонію - 40% мас., стабілізуючі речовини - 0,5% мас, гумати - 0,3; 0,7; 1% мас.

На основі приведеної функції (2, 3) запропоновано метод визначення збоїв технологічного режиму проведення процесу. Згідно з цим методом максимуми втрат якості на графіку (рис.2) відповідають виходу процесу зі стабільного режиму протікання. Такі збої фіксуються при t = 6 год. при проведенні досліду з композитивною рідиною, що містить 0,7% гуматів, та t = 10 год., t = 22 год., t = 31,33 год. при проведенні досліду з композитивною рідиною, що містить 1,0% гуматів Це підтверджується наявними експериментальними даними.

Для визначення впливу хімічного складу композитивної рідини на якість гранульованого продукту запропоновано новий метод. У відповідності до нього розраховуються питомі величини:

, (4)

, (5)

де t_ПР - час проведення процесу; G - кількість одержаного гранульованого продукту за час проведення процесу. Результати розрахунків зведено в табл. 1. При визначенні L_П доцільно скористатися приведеною величиною інтегральних втрат якості, без урахування збоїв при проведенні процесу.

Таблиця 1. Результати розрахунків питомих втрат якості

Гумат, %	tПР, год.	, год.	прив., год.	LП	G, кг	LG, год/кг
0,3	69	170,39	170,39	2,458	164,94	1,033
0,7	50	207,16	196,42	3,928	107,26	1,931
1,0	44	343,39	207,53	4,612	101,20	3,393

Одержані результати (значення L_П та L_G) дозволяють кількісно визначити ступінь впливу хімічного складу композитивної рідини на якість дисперсного складу гранульованого продукту.

Розрахунки показують, що якість дисперсного складу гранульованого продукту погіршується при збільшенні кількості гумінових речовин. Для визначення ступені впливу технологічних факторів на інших величин на вихід гранульованого продукту та якість його дисперсного складу проведено параметричну ідентифікацію математичних моделей процесу у вигляді авторегресійних рівнянь із запізненням другого ступеню по авторегресійній частині. За результатами перевірки за кореляційним відношенням побудовані математичні моделі визнано адекватними. Ступінь впливу визначалася за значенням критерію Ст'юдента для коефіцієнтів моделей. Визначено, що на якість дисперсного складу гранульованого продукту (вихідна змінна - функція втрат якості (3)) найбільший вплив чинять: T_ВХ - температура теплоносія на вході в апарат; T_Ш - температура псевдозрідженого шару у апараті; a_f - щільність зрошення поверхні частинок у псевдозрідженому шарі, кг вологи/(м²год.). На вихід гранульованого продукту найбільший вплив чинять: T_ВХ; T_Ш та фактори, що визначають кінетику процесу гранулоутворення - K_W - число псевдозрідження та відношення . Для пошуку області стабільної кінетики гранулоутворення в роботі пропонується побудова графічних залежностей . Побудова такої графічної залежності дає можливість одночасно розглянути зосереджені на площині інтервали значень K_W та , при яких вихід гранульованого продукту не менше 60 %. Така область є областю стабільної кінетики процесу гранулоутворення. Вона характеризується верхніми та нижніми значеннями K_W та . Побудовані залежності для вищевказаних композитивних рідин представлені на рис. 3. Відношення площі проекції області стабільної кінетики гранулоутворення на площину приведених параметрів (S_D) до площі проекції області існування процесу (S_OCK) визначено як - коефіцієнт кінетичної стабільності гранулоутворення . Ця величина є чисельною оцінкою стабільності кінетики гранулоутворення. Результати визначення областей стабільної кінетики та розрахунків коефіцієнту кінетичної стабільності приведені в таблиці 2. Очевидно стабільність кінетики процесу гранулоутворення проходить через мінімум при збільшенні концентрації гумінових речовин у композитивній рідині.

Таблиця 2. Області стабільної кінетики гранулоутворення та значення

Гумат, %	KW		SOCK	SD
	min	max	min	max
0,3	2,00	2,70	125	160	6,13	111,1	0,0551
0,7	1,60	2,40	120	150	2,25	65,7	0,0343
1,0	2,30	3,06	130	170	7,60	133,1	0,0571

З діаграм та за результатами розрахунків видно, що між безрозмірними симплексами K_W та існує лінійна кореляційна залежність (r_YX = 0,7 0,9), тобто вільне керування можливе лише одним з цих факторів. Простішим для керування є . Керування відбувається шляхом встановлення відповідного до d_e рівня P_Ш.

За результатами пасивних експериментів підібрано дані на план експерименту і на його основі показано можливість використання робастного підходу Тагучі для оптимізації процесу зневоднення та грануляції гетерогенних систем у псевдозрідженому шарі. Запропоновано розширити підхід Тагучі, який забезпечує робастність процесів, шляхом розгляду S/N відношення як параметру оптимізації процесу та побудови для нього експериментально-статистичних моделей. Таке розширення дозволяє більш точно визначити рівні технологічних факторів, що забезпечують робастність процесу та комплексно врахувати вплив технологічних факторів на вихід гранульованого продукту та S/N відношення.

У п'ятому розділі “Пошук оптимальних умов проведення процесу” визначено оптимальні умови проведення процесу зневоднення та грануляції розчину (NH₄)₂SO₄ концентрацією 40% мас., що містив додатки гуматів 0,3% мас. та стабілізуючих речовин 0,5% мас. на основі експериментально-статистичних математичних моделей. Математичні моделі побудовано за планом експерименту, оптимальним для реалізації підходу Тагучі. До плану введено фактори: х₁ - T_ВХ (інтервал варіювання 202 206 ^ОС); х₂ - T_Ш (93,5 96,5 ^ОС) та х₃ - (110 150). Параметри оптимізації процесу: - вихід гранульованого продукту та L - втрати якості дисперсного складу продукту. Кожен технологічний режим плану досліджувався протягом 1 години (три паралельні досліди). План експерименту в кодованих координатах та результати його реалізації представлено в табл. 3. Обробка результатів експерименту з використанням підходу Тагучі проводилась за допомогою розробленого пакету програм “RODAP” (RObust Design APproach).

Таблиця 3. План експерименту та результати його реалізації

№ точки	x1	x2	x3	СЕР	S/N	LСЕР
1	1	1	0	74,437	37,236	3,927
2	1	1	-1	76,433	36,540	2,267
3	1	0	-1	78,067	37,713	1,297
4	1	-1	0	76,387	37,649	2,347
5	0	1	1	95,420	39,592	8,300
6	0	1	0	76,093	37,617	1,857
7	0	0	1	90,550	39,069	3,017
8	0	-1	-1	63,053	35,974	2,533
9	-1	0	1	81,787	38,170	3,020
10	-1	0	-1	73,660	37,209	1,727
11	-1	-1	1	79,500	37,779	4,950
12	-1	-1	0	64,520	36,182	4,450

За результатами обробки результатів побудовано моделі:

= 72,256 + 3,773x₁ + 4,071x₂ + 8,974x₃ - 3,629x₁x₂ + 3,190x₁x₃ -

- 2,105x₂x₃ + 1,338x₁² - 0,4361x₂² + 9,522x₃²; (6)

S/N = 37,407 + 0,3446x₁ + 0,3746x₂ +1,082x₃ - 0,5009x₁x₂ +0,3293x₁x₃ -

- 0,0394x₂x₃ + 0,1279x₁² - 0,2923x₂² + 0,7084x₃²; (7)

L = - 0,8436 + 0,1989x₁ + 0,2951x₂ + 1,827x₃ + 0,8722x₁x₂ + 0,7966x₁x₃ +

+ 1,822x₂x₃ + 1,760x₁² + 2,401x₂² + 2,038x₃². (8)

По результатах перевірки за критерієм згоди Фішера, побудовані моделі визнані адекватними об'єкту дослідження. Робастні технологічні умови проведення процесу спостерігаються при значеннях факторів: x₁ = 1 (Т_ВХ = 206 ^ОС); x₂ = -0,522 (Т_Ш = 94,7 ^ОС); x₃ = 1 ( = 150). При цих значеннях розраховано S/N = 40,01; = 92,83 %, проте L = 5,871 що є значенням втрат якості в нестабільному режимі проведення процесу. Оптимальними умовами є компроміс між робастними значеннями виходу гранульованого продукту та мінімальними значеннями втрат якості дисперсного складу гранульованого продукту.

Таблиця 4. Результати пошуку компромісного технологічного рішення

x1	x2	x3	ТВХ ОС	ТШ, ОС		D	бажаність	S/N	LРОЗР	РОЗР
0,349	-0,313	0,896	204,7	95,2	147,9	0,695	добре	39,1	2,49	89,04

Такі значення технологічних факторів знайдено у вигляді компромісної точки (табл. 4), проте для практичної реалізації більш важливою є компромісна область проведення процесу, зображена на рис. 4.

При знайдених значеннях факторів проведено експеримент, в результаті якого визначено:

утримування технологічних чинників в околицях компромісної точки забезпечує стабільний режим проведення процесу зневоднення та грануляції композитивної рідкої системи із значеннями виходу гранульованого продукту > 80%, що залишаються стабільними по ходу процесу (82,88 1,78 %);

щільність зрошення поверхні частинок у псевдозрідженому шарі змінюється в незначних межах (0,151 0,179 кг/(м²год)), що є передумовою сталості дисперсного складу гранульованого продукту;

еквівалентний діаметр гранул готового продукту лежить в межах заданого інтервалу і мало змінюється по ходу процесу (1,69 1,84 мм);

втрати якості дисперсного складу гранульованого продукту стабільні. Питомі втрати якості на одиницю часу L_П = 1,874 год., питомі втрати якості на одиниць готового продукту L_G = 0,710 год/кг;

процес протікає в області стабільної кінетики гранулоутворення.

На основі значень числа псевдозрідження, що забезпечує стабільність кінетики гранулоутворення, та температурного режиму проведення процесу, що забезпечує його робастність до неконтрольованих факторів, запропоновано алгоритм визначення оптимальної швидкості теплоносія в апараті. Для досліджуваного процесу безпосередньо біля газорозподільної решітки така швидкість = 1,188 м/с.

Висновки

У роботі приведено аналіз, теоретичне узагальнення та нове розв'язання наукової задачі пошуку стабільних умов проведення процесу зневоднення та грануляції гетерогенних систем у псевдозрідженому шарі шляхом розділення на задачі стабілізації кінетики процесу гранулоутворення, стабілізації виходу гранульованого продукту та стабілізації дисперсного складу гранульованого продукту.

Запропоновано новий показник якості дисперсного складу гранульованого продукту - функцію втрат якості дисперсних систем, що базується на функції втрат Тагучі. Розроблено алгоритм розрахунку коефіцієнтів запропонованої функції.

Проведено параметричну ідентифікацію математичних моделей безперервного безрециклового процесу зневоднення та грануляції гетерогенних систем у псевдозрідженому шарі у вигляді автокореляційних рівнянь із запізненням. На основі побудованих моделей визначено ступені впливу технологічних факторів процесу на його показники якості. Встановлено, що вихід гранульованого продукту передусім залежить від температурного режиму проведення процесу, а дисперсний склад гранульованого продукту - від щільності зрошення поверхні частинок у псевдозрідженому шарі.

Проведено дослідження кінетики гранулоутворення в режимі безперервного безрециклового процесу шляхом аналізу діаграм для різних концентрацій домішок у композитивній рідині (гумат 0,3; 0,7 та 1 % мас.). Визначено області стійкої кінетики гранулоутворення для наведених складів композитивних рідин та запропоновано кількісну оцінку стабільності кінетики гранулоутворення. На основі параметрів областей стійкої кінетики гранулоутворення розроблено методику пошуку оптимальної швидкості теплоносія в апараті.

Вперше показано результати застосування підходу Тагучі до забезпечення робастності процесу для пошуку оптимальних умов процесу зневоднення та грануляції гетерогенних систем у псевдозрідженому шарі. Для одержання зазначених результатів розроблено ряд планів експериментів для реалізації підходу Тагучі до пошуку робастних умов проведення процесу.

Побудовані експериментально-статистичні моделі процесу зневоднення та грануляції сульфату амонію концентрацією 40% мас., що містив додатки гуматів 0,3% мас. та стабілізуючих речовин 0,5% мас. та знайдені робастні умови проведення процесу з використанням самого підходу Тагучі (Т_ВХ = 204 ^ОС; Т_Ш = 96 ^ОС; = 150), що уточнені за допомогою запропонованого в роботі розширення вказаного підходу шляхом побудови експериментально-статистичної моделі характеристики “сигнал-шум” (Т_ВХ = 206 ^ОС; Т_Ш = 94,7 ^ОС; = 150).

Запропоновано методику пошуку оптимальних умов проведення процесу, як компроміс між робастним умовами та умовами, що забезпечують мінімальні втрати якості дисперсного складу гранульованого продукту. Знайдені умови проведення процесу зневоднення та грануляції гетерогенних систем у псевдозрідженому шарі у вигляді рекомендованої компромісної точки проведення процесу (Т_ВХ = 204,7 ^ОС; Т_Ш = 95,2 ^ОС; = 147,9) та компромісної області в околицях цієї точки. Представлені результати підтверджуючого експерименту, які доводять правильність підходу та одержаного результату.

Розроблене спеціальне програмне забезпечення для реалізації підходу Тагучі до забезпечення робастності процесу і відомих його модифікацій.

Розроблений спосіб оцінки якості дисперсного складу гранульованого продукту та програмне забезпечення впроваджено, що підтверджується відповідними актами.

Список опублікованих праць здобувача

1. Корнієнко Я.М., Статюха Г.О., Складанний Д.М. Моделювання безперервного безрециклового процесу зневоднення та грануляції гетерогенних систем у псевдозрідженому шарі // Наукові вісті НТУУ “КПІ”. - № 1. - 2002. - С. 133-138. (Здобувачем побудовано експериментально-статистичні моделі процесу виконано інші розрахунки).

2. Корнієнко Я.М., Статюха Г.О., Складанний Д.М. Визначення областей стійкої кінетики процесу гранулоутворення органомінеральних добрив // Наукові вісті НТУУ “КПІ”. - № 2. - 2002. - С. 122-127. (Здобувачем проведено розрахунки по визначенню впливу хімічного складу композитивної рідини на стабільність кінетики гранулоутворення).

3. Корнієнко Я.М., Складанний Д.М. Математичне моделювання оцінки якості дисперсного складу гранульованого продукту при зневодненні та грануляції гетерогенних систем // Наукові вісті НТУУ “КПІ”. - № 3. - 2002. - С. 114-118. (Здобувачем запропоновано модифіковану нормовану функцію втрат якості дисперсних систем як показник якості процесу та на її основі запропоновано методики визначення збоїв технологічного режиму проведення процесу та впливу хімічного складу композитивної рідини на якість гранулометричного складу продукту).

4. Корнієнко Я.М., Статюха Г.О., Складанний Д.М., Савченко Г.Б. Пошук стабільних умов проведення процесу зневоднення та грануляції у псевдозрідженому шарі з використанням методу Тагучі // Вопросы химии и химической технологии. - № 1. - 2003. - С. 140-142. (Здобувачем запропоновано використати робастний підхід Тагучі та математичну модель статистичної характеристика “сигнал-шум” для аналізу процесу та знайдено робастні умови його проведення).

5. Складанний Д.М., Статюха Г.О. Розробка пакета програм обробки результатів експериментів з використанням робастного підходу // Вісник Житомирського інженерно-технологічного інституту. - № 3 (22). - 2002. - С. 138-143. (Здобувачем розроблено програмне забезпечення для реалізації поставлених задач та за його допомогою проведені розрахунки).

6. Статюха Г.А., Складанный Д.Н., Сучалкина Л.И. Исследование процесса нанесения защитного покрытия на фармацевтические препараты в аппарате кипящего слоя типа Wurster // Рациональный эксперимент в материаловедении. Материалы к 39-му международному семинару по моделированию и оптимизации композитов МОК'39. - Одесса: “Астропринт”. - 2000. - С. 23. (Здобувачем запропоновано визначати якість дисперсного складу гранульованого продукту за допомогою статистичних характеристик розподілу гранул за діаметрами та побудовано моделі цих характеристик).

7. Статюха Г.А., Складанный Д.Н. Поиск оптимальных условий проведения процесса грануляции с использованием метода Тагучи // Прогнозирование в материаловедении. Материалы к 41-му международному семинару по моделированию и оптимизации композитов МОК'41. - Одесса: “Астропринт”. - 2002. - С. 44. (Здобувачем запропоновано модель статистичної характеристики “сигнал-шум” для визначення робастних умов проведення процесу заводнення та грануляції).

8. Korniyenko Ya., Statyukha G., Skladannyy D. Computing of experimental research of the process dehydration and granulation in an air-fluidized bed // Summaries of 15^th International Congress of Chemical and Process Engineering “Chisa 2002”. - 2002. - P. 0738. (Здобувачем побудовано експериментально-статистичні моделі процесу виконано інші розрахунки).

Размещено на Allbest.ru

...