Размещено на http://www.allbest.ru/

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОИЗВОДСТВА СЛОЖНЫХ МИНЕРАЛЬНЫХ УДОБРЕНИЙ ПУТЕМ ОПТИМИЗАЦИИ ПРОЦЕССОВ ГРАНУЛИРОВАНИЯ И СУШКИ

Специальность 05.17.08-Процессы и аппараты химических технологий

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной

степени кандидата технических наук

Кочергин Сергей Александрович

Иваново 2008

Работа выполнена в Ивановском государственном химико-технологическом университете.

Научный руководитель: Заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор - Блиничев Валерьян Николаевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор - Тимонин Александр Семёнович

доктор технических наук, профессор - Овчинников Лев Николаевич

Ведущая организация: ОАО “Минеральные удобрения” г. Воскресенск

Защита состоится “___“______________2008 года в ___ часов на заседании диссертационного совета Д212.063.05 при Ивановском государственном химико-технологическом университете по адресу: 153000, г.Иваново, пр. Ф.Энгельса, д.7

С диссертационной работой можно ознакомиться в научной библиотеке Ивановского государственного химико-технологического университета.

Автореферат разослан “____“__________2008 г.

Учёный секретарь диссертационного совета

доктор физико-математических наук Зуева Г.А.

Общая характеристика работы

Актуальность работы

Физико-химические свойства фосфатов аммония таковы, что делают предпочтительным использование этих продуктов для получения всего необходимого для сельского хозяйства ассортимента комплексных удобрений. Если химический состав продукта зависит от качества и соотношения исходных компонентов, то его физические и механические свойства формируются на всех стадиях технологического процесса. Особая роль в этом отводится гранулированию, в процессе которого закладываются форма, размер, плотность и структура частиц. В технологии производства минеральных удобрений одной из основных стадий формирования качества продукта является процесс гранулообразования с последующей или одновременной стабилизацией структуры (сушкой или охлаждением) и выделением товарной фракции. Не случайно различные схемы производства удобрений называют по типу гранулятора, считая его основным аппаратом, формирующим структуру технологической линии. В большинстве случаев техника гранулирования к настоящему времени определена и прогресс в этой области идёт по пути модернизации существующего оборудования в направлении создания более надёжных, достаточно простых в изготовлении и эксплуатации конструкций. Совершенствование аппаратуры применительно к конкретным условиям эксплуатации оказывает решающее влияние на эффективность технологической линии. Однако модернизация конструкций не должна быть односторонней и направленной только на интенсификацию данного процесса. Следует также искать пути изменения и оптимизации технологии, чтобы полнее использовать возможности имеющейся аппаратуры.

Большинство из выпускаемых на данный момент сложных фосфоросодержащих минеральных удобрений производится методом окатывания с использованием связующего компонента на частицах ретура в барабанных аппаратах. Технологические системы по выпуску таких удобрений работают по схеме с “БГС” (барабанная гранулятор-сушилка), либо по схеме “АГ+СБ” (аммонизатор-гранулятор совместно с сушильным барабаном). Наиболее управляемой является схема АГ+СБ с использованием большого количества ретура и связующей пульпы, получаемой нейтрализацией фосфорной кислоты жидким аммиаком в смесителях-нейтрализаторах.

Промышленная эксплуатация барабанных грануляторов и сушильных барабанов показывает, что на надёжную работу такой технологической системы оказывает влияние большое количество факторов. Их влияние на надёжность работы технологической системы по выпуску сложных удобрений в настоящее время изучено не в полной мере. Несмотря на то, что некоторые производства работают уже более 25 лет, оптимальные режимы ведения процессов гранулирования и сушки до сих пор не найдены.

Основные цели исследования

1. Выявление определяющих параметров процессов гранулирования и сушки производства диаммонийфосфата по схеме АГ+СБ.

2. Проведение оптимизации технологических режимов работы аммонизатора-гранулятора и сушильного барабана в производстве диаммонийфосфата.

Задачи исследования

1. Проведение исследований на промышленном аммонизаторе-грануляторе и сушильном барабане (при средней производительности технологической системы по готовому продукту 57 т/ч) в широком диапазоне изменения входных параметров при выпуске диаммонийфосфата.

2. Выявление основных определяющих параметров как процесс гранулирования, так и процесс сушки при выпуске диаммонийфосфата.

3. Получение регрессионных зависимостей, связывающих качественные характеристики получаемого диаммонийфосфата, а также выход товарной фракции с основными влияющими параметрами.

4. Определение оптимальных режимов работы аммонизатора-гранулятора и сушильного барабана, как при раздельной, так и при совместной их работе. аммонизатор гранулятор сушильный барабан

Научная новизна

1. Найдены основные определяющие параметры процессов грануляции и сушки, оказывающие существенное влияние как на качество продукта, так и на выход товарной фракции, а также пределы их изменения, в диапазоне которых обеспечивается технологически надёжная работа системы производства диаммонийфосфата, в результате проведенных исследований на промышленных установках при средней производительности 57 т/ч по ДАФ.

2. Получены регрессионные зависимости, связывающие качественные характеристики диаммонийфосфата и производительность технологической системы по готовому продукту с основными влияющими параметрами процессов гранулирования и сушки.

3. Проведена оптимизация технологических режимов работы аммонизатора-гранулятора и сушилки, как при отдельной, так и при совместной их работе с целью получения максимальной производительности технологической системы по выпуску диаммонийфосфата при сохранении его качества согласно требованиям технических условий на производстве.

Практическая значимость

1. Полученные математические зависимости между входными и выходными параметрами стадий гранулирования и сушки в производстве диаммонийфосфата позволяют найти технологически надёжные режимы работы этих стадий при изменении требований к выпускаемому на производстве удобрению (содержание Р₂О₅, N, Н₂О, гранулометрический состав).

2. Разработана программа для оперативного расчёта всех качественных характеристик получаемого на производстве диаммонийфосфата в зависимости от изменения всех входных технологических параметров как на стадии гранулирования, так и сушки. Данная программа была внедрена на ОАО “Аммофос” в производство минеральных удобрений для облегчения работы операторов в системе управления.

3. Полученные оптимальные значения всех входных параметров в процессе проведения оптимизации режимов работы отделения гранулирования и сушки позволили составить режимную карту для ведения технологии получения диаммонийфосфата.

4. Проведённая оптимизация позволяет снизить себестоимость диаммонийфосфата, увеличить производительность по готовому продукту и одновременно повысить надёжность работы всей технологической системы.

5. Расчёт экономического эффекта от внедрения оптимальных режимов работы аммонизатора-гранулятора и сушилки только на одной линии производства диаммонийфосфата, когда производительность технологической нитки по готовому продукту составляет 61,4 т/ч вместо 55 т/ч по регламенту, показал, что он составляет порядка 118 млн. рублей/год.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на VII Международной научной конференции “Теоретические и экспериментальные основы создания новых высокоэффективных процессов и оборудования” (г. Иваново, 2005 год); на международной научной конференции “Теоретические основы создания, оптимизации и управления энерго- и ресурсосберегающими процессами и оборудованием” (г. Иваново, 2007 год).

Публикации

Материалы диссертационной работы получили отражение в 6 публикациях.

Структура и объём работы

Диссертация состоит из введения, трёх глав, выводов по работе, списка литературы из 101 наименования. Работа изложена на 114 страницах машинописного текста, 32 рисунков, 9 таблиц, 7 приложений.

Реализация результатов работы

Результаты работы внедрены в производстве минеральных удобрений на ОАО “Аммофос”.

Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы основные цели работы, задачи исследования, научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе приведён обзор современных способов и оборудования гранулирования сложных минеральных удобрений. Основное внимание уделялось изучение научных трудов по гранулированию минеральных удобрений таких авторов, как Классен П.В., Гришаев И.Г., Овчинников Л.Н. и др. Выявлены основные достоинства и недостатки методов гранулирования. Определены способы гранулирования сложных фосфоросодержащих удобрений. Рассмотрены основные схемы, существующие в производстве фосфоросодержащих удобрений: гранулирование в барабанным грануляторе сушилке (БГС); гранулирование в аммонизаторе -грануляторе с последующей сушкой в сушильном барабана (АГ+СБ). Рассмотрены понятия оптимизации химико-технологических процессов, этапы постановки оптимизационной задачи, классификация оптимизационных задач. На основании анализа литературных источников сформулированы задачи настоящего исследования.

Во второй главе рассмотрен процесс получения диаммонийфосфата. Представлена технологическая схема промышленной установки получения диаммонийфосфата (рис. 1) и её описание. Представлена методика измерения и регулирования технологических параметров. Процесс нейтрализации слабоаммонизированной фосфорной кислоты жидким аммиаком осуществляется в смесителях - нейтрализаторах (2, 3, 4, 5). Смесители - нейтрализаторы, представляющие собой камеры смешения с внутренним диаметром 150 мм, установлены непосредственно перед аммонизатором - гранулятором (1). Процесс нейтрализации сопровождается выделением тепла, в результате чего происходит разогрев реакционной массы и испарение влаги. При нейтрализации слабоаммонизированной фосфорной кислоты жидким аммиаком образуется суспензия, состоящая в основном из фосфатов аммония (моноаммонийфосфата, диаммонийфосфата, сульфата аммония, фосфатов железа, алюминия, магния и др.), называемая пульпой. Степень аммонизации (мольное отношение NН_3: Н₃РО₄) определяет вид выпускаемых удобрений. При выпуске на производстве минеральных удобрений диаммонийфосфата данное соотношение выдерживают в интервале 1,7-1,9.

Слабоаммонизированная фосфорная кислота нейтрализуется жидким аммиаком в смесителях-нейтрализаторах до мольного соотношения 1,7-1,82 с образованием пульпы фосфатов аммония. Пульпа фосфатов аммония из смесителей - нейтрализаторов (2…5) с установленным мольным отношением NН₃: Н₃РО₄ через пульпопровод форсункой диаметром 100 мм распыляется в четырёх точках, расположенных по всей длине аммонизатора гранулятора (1). Распыление пульпы на частицы ретура в четырёх точках осуществляется с той целью, чтобы исключить появление зон переувлажнения шихты, что, в конечном итоге, приводит к образованию крупных агломератов. Слабоаммонизированная фосфорная кислота, поступающая из форабсорбера в смесители нейтрализаторы, имеет в составе 44 % Р₂О₅ и около 50 % воды. За счёт теплоты реакции нейтрализации основная часть влаги испаряется в аммонизаторе-грануляторе и вместе с отходящими газами поступает в отделение абсорбции. Влажность шихты после аммонизатора- гранулятора может колебаться от 2 до 3,5 %.

Аммонизатор-гранулятор (сокращенно - АГ) представляет собой вращающийся аппарат барабанного типа, футерованный резинотканевой лентой. В загрузочной и выгрузочной части АГ установлена несущая труба Ду 400 мм, к которой крепится аммиачная рампа для подачи жидкого аммиака. Со стороны загрузки, через несущую трубу Ду 400 мм, проложены четыре трубопровода Ду 100 мм для подачи пульпы фосфата аммония в четырёх точках, расположенных друг от друга на расстоянии одного метра.

В аммонизаторе-грануляторе происходит доаммонизация пульпы фосфатов аммония жидким аммиаком до необходимого мольного отношения NН₃: Н₃РО₄ (1,8-1,9) с одновременным гранулированием мелких частиц ретура. Для доаммонизации и корректировки содержания влаги в шихте предусмотрена подача жидкого аммиака со стороны загрузки ретура через аммиачную рампу в слой гранулируемой массы.

Пульпа фосфатов аммония в аммонизаторе-грануляторе распыляется на ретур, который подается через течку элеваторами (20). Ретур представляет собой продукт, состоящий из гранул размером от 0,1 до 6 мм. Опыт эксплуатации АГ показал, что для поддержания технологически надежного режима работы при подаче ретура в заданном диапазоне расходов (180-200 т/час) в нём должно содержаться определенное и достаточно большое количество товарной фракции с размерами 2-5 мм. (см. рис.2). Для корректировки марки диаммонийфосфата в ретур из расходного бункера (21) при помощи питателя (22) вводят нужное количество гранулированного шлака. При не надёжной работе технологической системы количество ретура может достигать 400 т/ч, что приводит к завалу элеваторов (20) и к полной остановке системы.

В форабсорбер (10) для улавливания пыли, абсорбции аммиака и конденсации паров воды из сборника, установленного в отделении абсорбции, погружным насосом подаются слобоаммонизированные растворы фосфорной кислоты, объемный расход которых автоматически изменяется регулирующим клапаном в зависимости от уровня жидкости в форабсорбере (10). Форабсорбер представляет собой ёмкость с перемешивающим устройством. Основная его функция заключается в частичном улавливании пыли и аммиака из технологического газа, отходящего из гранулятора. В процессе улавливания аммиака фосфорная кислота нейтрализуется до мольного соотношения 0,3-0,5. Эффективность поглощения аммиака составляет около 20 %.

Шихта, полученная в аммонизаторе - грануляторе (1), через пересыпную вибротечку поступает в сушильный барабан (6) отделения сушки. В производстве используется конвективный способ сушки - непосредственное соприкосновение теплоносителя (топочного газа) с высушиваемым материалом при прямотоке. Топочные газы, соприкасаясь с высушиваемым продуктом, постепенно охлаждаются и насыщаются парами воды. Топочные газы получаются при сжигании природного газа в топочно - горелочном устройстве (17) (ТГУ).

Сушильный барабан представляет собой вращающийся цилиндрический аппарат диаметром 4500 мм, длиной 35000 мм. Сушильный барабан оборудован загрузочной и разгрузочной камерами. В разгрузочной камере СБ установлено «беличье» колесо, предназначенное для разрушения крупных комков и классификации продукта. Высушенный продукт размером менее 50 мм, проваливается в разгрузочную течку и подается конвейером (12) на узел рассева. Передвижение гранул по аппарату обеспечивается углом наклона барабана, равным 2ъ, и вращением его со скоростью 2,73 об/мин.

Из сушильного барабана (6) ленточным конвейером (12) и элеватором (13) высушенный продукт подается на двухситный вибрационный грохот типа «Хеннион» (14), где осуществляется рассев по фракциям. Мелкая фракция из грохота (14) по течкам с вибраторами поступает на ретурный конвейер (19). Крупная фракция с верхнего сита грохота поступает в дробилку (15) и затем по вибротечкам также поступает на ретурный конвейер (19). Товарная фракция через пересыпное устройство подается в узел пересыпки и подается на охлаждение в холодильник «кипящего слоя» (16). Охлаждение продукта осуществляется атмосферным воздухом, нагнетаемым вентилятором (17). Объемный расход воздуха регулируется шиберными заслонками, установленными на линии всаса вентилятора.

В рассмотренной схеме производства диаммонийфосфата, как в любой химико-технологической схеме, надёжная работа оборудования на отдельных стадиях взаимозависима от предыдущих и последующих стадий. В данном производстве основным аппаратом технологической линии является аммонизатор-гранулятор, в котором закладываются основные физико-химические свойства и гранулометрический состав получаемого продукта. И в то же время ориентировочный анализ работы всей технологической линии показывает, что качество получаемого диаммонийфосфата (конечная влажность гранул, их температура на выходе из сушильного барабана), а также выход товарной фракции во многом зависят от режимов работы сушилки, дробильно- классификационного узла и холодильника “КС”.

Поэтому нами проведены экспериментальные исследования на промышленной установке производства ДАФ в широком диапазоне варьирования основных входных и выходных управляемых и регулируемых параметров аммонизатора-гранулятора и сушильного барабана. Для этого работа отделения гранулирования и сушки исследовалась на протяжении достаточно долгого периода. Данные с технологической системы снимались в разные временные периоды. Учитывались режимы работы как при эксплуатации основного оборудования в летний, так и в зимний период. Основные технологические параметры работы отделения гранулирования и сушки тщательно анализировались и наиболее характерные заносились в таблицы. Особое внимание уделялось анализу причин для случаев, когда технологическая система выходила за границы технологической надёжности вследствие либо получения некачественного продукта по содержанию азота, фосфора, влажности и температуры гранул, либо по случаям “завала” элеваторов, приводящих к остановке технологической системы.

Глубокий анализ причин, приводящих в конечном итоге к останову производства, а также полученный экспериментальный материал процессов гранулирования и сушки в промышленных аппаратах производства ДАФ, позволил нам выявить основные параметры, влияющие на работу как аммонизатора-гранулятора, так и сушильного барабана, а также пределы возможного их изменения, при поддержании которых обеспечивается надёжность производства ДАФ.

Анализ имеющихся экспериментальных данных показал, что на технологическую надёжность работы аммонизатора-гранулятора оказывают влияние следующие основные факторы: -расход аммиака на каждый из четырёх смесителей, т/ч; - расход слабоаммонизированной фосфорной кислоты на каждый из четырёх смесителей, м³/ч; М.О.- мольное соотношение в слабоаммонизированной фосфорной кислоте;-плотность слабоаммонизированной фосфорной кислоты, г/см³; - температура слабоаммонизированной фосфорной кислоты, ⁰С; - расход ретура в АГ, т/ч; - расход аммиака на аммиачную рампу, т/ч; - расход гранулированного шлака, т/ч;

Выходными параметрами, характеризующими работу АГ и влияющими на работу СБ и всей схемы, являются следующие: ш- влажность шихты после АГ, %; t- температура шихты после АГ, ⁰С; м.о.¹- мольное соотношение в шихте после АГ; Q- производительность технологической системы по готовому продукту, т/ч; N- содержание азота в готовом продукте, %; P₂O₅- содержание фосфора в готовом продукте, %;

В таблице 1 представлены интервалы изменения входных параметров АГ, при которых качественные характеристики готового продукта находятся в заданных диапазонах и наблюдалась технологическая надёжность системы в целом.

Таблица 1

Интервалы изменения параметров, обеспечивающие технологическую надёжность работы аммонизатора-гранулятора

Поддерживая входные параметры в указанном в таблице 1 диапазоне, качество получаемого готового продукта будет соответствовать требованиям ТУ производства и при этом средняя производительность технологической системы по готовому продукту будет составлять 58,25 т/ч.

На основе анализа большого экспериментального материала были выявлены основные факторы, влияющие на работу сушильного барабана: - влажность шихты после АГ, %; - температура шихты после АГ, ⁰С; - мольное соотношение в шихте после АГ; Q_т.г.^.- расход топочных газов на входе в СБ; T_т.г- температура топочных газов, идущих на процесс сушки, ⁰С;

Выходными параметрами, которые нужно поддерживать и которыми можно управлять в СБ, являются следующие: Ш_прод - влажность готового продукта, %; T_прод- температура продукта после сушильного барабана, ⁰С; о- содержание товарной фракции (частицы в диапазоне размеров 2-5 мм) в продукте после сушильного барабана.

Поскольку температура и расход топочных газов определяется работой ТГУ (топочно-горелочное устройство), то проведён анализ возможных колебаний расходов природного газа и воздуха, при изменении которых будет обеспечена технологическая надёжность работы сушильного барабана. Найденные диапазоны изменений расходов природного газа и воздуха представлены в таблице 2.

Таблица 2

Экспериментально найденные диапазоны изменений параметров ТГУ, обеспечивающие технологическую надёжность работы сушильного барабана

Анализ полученных экспериментальных данных позволил нам определить интервалы изменения входных параметров, при которых будет наблюдаться технологическая надёжность работы сушильного барабана (таблица 3).

Таблица 3

Интервалы изменения параметров, обеспечивающие технологическую надёжность работы сушильного барабана

В таблице 3 представлен только один параметр работы ТГУ- температура топочных газов в диапазоне изменения расходов природного газа и воздуха по таблице 2. Поддерживая входные параметры сушильного барабана в указанных в таблице 2 диапазонах, качество получаемого готового продукта будет соответствовать требуемым на производстве, при этом среднее содержание готового продукта (товарной фракции) после сушильного барабана будет составлять 81,4% (среднее значение при надёжной работе системы).

Исследования работы промышленных аммонизатора-гранулятора и сушильного барабана показывают, что процессы гранулирования и сушки неразрывно связаны между собой. Рассматривать эти два процесса отдельно при оптимизации технологического процесса получения диаммонийфосфата не имеет большого смысла.

Третья глава посвящена оптимизации процессов гранулирования и сушки. Оценив в ходе проведения исследований промышленных установок характер влияния основных входных параметров на выходные функции процессов грануляции, горения природного газа в ТГУ и сушки, следующим этапом данной работы явилось определение математических зависимостей между ними с последующим решением оптимизационных задач. Для нахождения зависимостей между входными и выходными параметрами в сложных технологических процессах, протекающих в промышленных установках, несомненно, лучше всего подходит пассивный эксперимент. Полученные автором экспериментальные данные обрабатывались методом наименьших квадратов с последующим решением систем линейных уравнений.

В результате обработки экспериментальных данных были получены следующие зависимости параметров, отражающих как качество выходящих из аммонизатора-гранулятора гранул (у1- влажность шихты после АГ,%; у2- температура шихты после АГ,⁰С; y3- мольное соотношение в шихте после АГ; y5- содержание азота (N) в готовом продукте, %; y6- содержание фосфора (Р2О5) в готовом продукте, %), так и производительность технологической системы по готовому продукту- y4, т/ч. Для примера ниже приведена зависимость производительности по продукту технологической линии от основных найденных в работе параметров:

(1)

Система шести полученных регрессионных уравнений представляет собой математическую модель процесса гранулирования. Адекватность математической модели доказана сравнением расчётных и экспериментальных данных, полученных на промышленной установке. Расхождение экспериментальных и расчётных данных не превышает 7-8%.

Экспериментальные данные процесса сушки были обработаны также методом наименьших квадратов, что позволило связать выходные параметры после сушильного барабана: влажность готового продукта (y7, %), температуру продукта после СБ (y8, ⁰С), а также содержание товарной фракции в продукте после СБ (y9, %) с основными регулируемыми и управляемыми параметрами. Например:

(2)

Расхождение экспериментальных и расчётных (по полученным регрессионным зависимостям процесса сушки) данных не превышает 6-7%.

Для нахождения значений необходимых температур топочных газов, входящих в сушильный барабан, экспериментальные данные были обработаны также методом наименьших квадратов. После обработки экспериментальных данных была найдена следующая зависимость температуры топочных газов (у10, x19 в ур-нии 2, ⁰С) от расхода природного газа (x20, м³/ч) и воздуха (x21, м³/ч):

(3)

Рассматривая выходной поток гранул из сушильного барабана, необходимо отметить, что его количество и гранулометрический состав оказывают большое влияние не только на производительность технологической линии по готовому продукту, но также и на формирование ретурного потока и работу дробильно-классификационного оборудования. Вся технологическая система замкнута по ретурному циклу. На входе в аммонизатор-гранулятор важно поддерживать не только определённое количество ретура, но также и правильно сформированный его гранулометрический состав, который во многом определяется процентным содержанием товарной фракции на выходе из сушильного барабана. Необходимо отметить, что около 3/4 массового потока гранул, выходящих из сушильного барабана направляется в ретурный цикл и только 1/4 его часть идёт в виде готового продукта.

На рис.2 представлен экспериментально определённый средний гранулометрический состав продукта на выходе из сушильного барабана и гранулометрический состав ретура в АГ, поддержание которого обеспечит надёжную работу технологической системы. Из рис. 2 наглядно видно, что для обеспечения надежной работы АГ в ретуре должно содержаться как минимум 70 % фракции готового продукта с размерами от 2 до 5 мм.

Рис. 2 Гранулометрический состав ретура в АГ и продукта после СБ

После нахождения математических зависимостей, описывающих основные стадии производства диаммонийфосфата, следующим этапом работы является нахождение таких оптимальных входных технологических параметров, при которых сохранялась бы высокая технологическая надёжность системы при максимальной производительности по готовому продукту и минимальному расходу как основного сырья, так и природного газа.

Математические зависимости в виде регрессионных уравнений, полученные ранее при обработке экспериментальных данных процесса гранулирования на промышленном аммонизаторе-грануляторе, были основными при решении оптимизационной задачи методом линейного программирования. Целевой функцией, определяющей экономику всей технологии производства диаммонийфосфата, является производительность системы по товарному продукту (1). Совершенно очевидно, что производительность технологической системы по получаемому продукту должна стремиться к максимуму. В математической форме это будет выглядеть следующим образом:

(4)

На все оставшиеся функции, определяющие качество гранул после АГ, наложим ограничения, согласно найденным ранее диапазонам их возможных изменений для обеспечения технологической надёжности всей технологической линии. На каждый из входных параметров аммонизатора-гранулятора для обеспечения технологической надёжности схемы тоже будут накладываться ограничения, согласно полученным экспериментальным данным. Полученная система уравнений и неравенств, представляют собой наиболее полную математическую модель процесса грануляции. Решив данную систему, мы определяем технологические параметры, при которых поддерживается качество получаемого удобрения на заданном уровне при максимальной производительности технологической системы. Решение оптимизационной задачи проводилась автором с использованием прикладного математического пакета “Mathcad”. Методика проведения вычислений представлена в приложении 6 диссертации. В результате решения системы уравнений были найдены оптимальные значения входных параметров: x₁=3 т/ч - расход аммиака на первый смеситель, (, т/ч); x₂=12,8 - расход фосфорной кислоты на первый смеситель, (,м³/ч); x₃=3,8- расход аммиака на второй смеситель, (,т/ч); x₄=11- расход фосфорной кислоты на второй смеситель, (,м³/ч); x₅=3,8- расход аммиака на третий смеситель, (,т/ч); x₆=12- расход фосфорной кислоты на третий смеситель, (,м³/ч); x₇=3,8- расход аммиака на четвёртый смеситель, (,т/ч); x₈=11,7- расход фосфорной кислоты на четвёртый смеситель, (,м³/ч); x₉=0,45- мольное соотношение NH₃/H₃PO₄ в кислоте перед входом в смесители (м.о.); x₁₀=1,54- плотность кислоты перед входом в смесители, (,г/см³, ); x₁₁=62,2- температура кислоты перед входом в смесители, (,С⁰); x₁₂=190^.- расход ретура в гранулятор, (,т/ч); x₁₃=1,4- расход аммиака на аммиачную рампу, (,т/ч); x₁₄=2,2- расход гранулированного шлака, (,т/ч); x₁₅=0,44- содержание Р₂О₅ в кислоте перед входом в смесители. При данных входных параметрах выходные оптимальные значения рассчитанных функций будут следующими: влажность шихты =2,2%; температура шихты =90C⁰; м.о. =1,87; производительность линии по готовому продукту=63,6т/ч; содержание N =18,2%; содержание Р₂О₅ =46,0%. По аналогии с процессом гранулирования решаем оптимизационную задачу для процесса сушки. Полученные ранее регрессионные уравнения, а также дополнительные ограничения на технологические параметры были использованы при решении оптимизационной задачи. В качестве целевой функции было взято содержания товарной фракции в продукте после сушильного барабана (2), т.к. оно определяет грансостав ретура, поступающего в АГ и производительность линии по готовому продукту. Содержание товарной фракции после сушилки как целевой функции должно стремиться к максимуму, но с ограничениями, равными 75-80 %, при превышении которых изменяется грансостав ретура, вследствие чего нарушается надежная работа АГ.

(5)

Решение данной оптимизационной задачи процесса сушки авторами также проводилось с использованием прикладного математического пакета “Mathcad”. В результате были найдены оптимальные значения входных параметров: x16=2,3- влажность шихты перед входом в сушильный барабан, (,%); x17=97,6- температура шихты перед входом в сушильный барабан (t,С⁰); x18- мольное соотношение NH3/H3PO4 в шихте перед входом в сушильный барабан (м.о.); x19=450- температура топочных газов перед сушильным барабаном, (Тт.г., С⁰).

При данных оптимальных значениях входных параметров величины выходных параметров будут следующими: y7=1,7 -влажность готового продукта (Шпрод,%); y8=110- температура продукта после сушильного барабана (Tпрод,C⁰); y9=75,8- содержание товарной фракции после сушильного барабана (, %).

Найдя значение температуры топочных газов, идущих на сушку, определяем оптимальные расходы природного газа (x20) и воздуха (x21). Выделив из уравнения (10) расход природного газа x19, получим следующее выражение:

(6)

Для нахождения минимального расхода природного газа в топку (x20) накладываем следующие ограничения:

(7);(8);(9)

Решение оптимальной задачи дает следующие значения параметров:

y10=450-температура топочных газов, C⁰; x21=6800- расход воздуха (, м³/ч), при этом минимизированный расход природного газа составит x20=492,5 (,м³/ч).

Решая оптимизационную задачу для процесса сушки, нами были найдены такие технологические параметры, при которых влажность готового продукта не будет превышать 1,7 %, температура продукта не превысит 110 ⁰С, а содержание товарной фракции будет максимальным (75,1%) при минимальном расходе дорогостоящего сырья и природного газа.

Так как процесс сушки по технологической цепочке следует сразу же за процессом гранулирования, то выходные параметры процесса гранулирования являются входными для процесса сушки. При решении оптимизационной задачи для процесса сушки автором были рассчитаны оптимальные значения влажности шихты, мольного соотношения в шихте, а также температуры шихты после процесса гранулирования. Полученные при этом данные мы использовали при решении оптимизационной задачи на стадии гранулирования. В этом случае при решении оптимизационной задачи процесса гранулирования изменяются неравенства. Значения функции, описывающей изменение влажности в шихте после процесса гранулирования, согласно полученным данным при оптимизации процесса сушки, принимаем в следующем узком диапазоне:

; ; (10)

Решая оптимизационную задачу для процесса гранулирования уже при новых ограничениях диапазонов изменения входных параметров (10), получим следующие оптимальные значения входных параметров процесса гранулирования: x₁= 3 т/ч; x₂=12,8 м³/ч; x₃=3,8 т/ч; x₄=11,5 м³/ч; x₅=3,7 т/ч; x₆= 12 м³/ч; x₇= 3,5 т/ч; x₈= 11,7 м³/ч; x₉= 0,45; x₁₀= 1,54 г/см³; x₁₁= 51,5 ⁰C; x₁₂=190 т/ч; x₁₃= 1,4 т/ч; x₁₄=2,1 т/ч, x₁₅= 0,44. При данных значениях входных параметрах выходные оптимальные значения функций процесса гранулирования будут следующие: y₁=2,3 %; y₂=97,5⁰C; y₃=1,87 ; y₄=61,4 т/ч; y₅=18,2 %; y₆=46,0 %. Полученные результаты по оптимальным значениям входных параметров использовали при составлении режимных карт для производства минеральных удобрений на ОАО “Аммофос”, так как при наличии действующего оборудования возможно увеличение производительности всей технологической системы при поддержании технологической работоспособности каждой единицы оборудования и получении заданных качественных характеристик удобрений. Используя полученные регрессионные зависимости, можно графически проанализировать влияние каждого из выявленного нами фактора на качественные характеристики диаммонийфосфата при отклонении их от полученных оптимальных значений, как для процесса гранулирования, так и для процесса сушки. В качестве примера на рис.3 представлено изменение содержания товарной фракции в продукте после СБ от расхода аммиака на смесители и аммиачную рампу. Полученные расчётные данные (рис. 3) показывают, что при увеличении расхода аммиака на каждый из четырёх смесителей- нейтрализаторов от минимального до максимального значения, содержание товарной фракции после аммонизатора-гранулятора, и, соответственно, после сушильного барабана, в основном, увеличивается. Наибольшее влияние на изменение содержания товарной фракции оказывает изменение расхода аммиака на смесители (4,5). Эти смесители находятся ближе к загрузочной части гранулятора, поэтому вносят большую долю “участия” в процесс гранулообразования. Из рис.3 наглядно видно, что при увеличении расхода аммиака на аммиачную рампу уменьшается содержание товарной фракции в продукте. Поскольку рампа распределяет аммиак по всей длине гранулятора, то подаваемый на неё жидкий аммиак существенно влияет на процесс гранулообразования в грануляторе. Чрезмерное увеличение расхода аммиака на рампу приводит к пересушиванию продукта (за счёт теплоты реакции нейтрализации), в результате чего процесс гранулирования идёт при меньшей влажности шихты, и, соответственно, увеличивается количество не окатанных частиц, т.е. содержание мелкой фракции после аммонизатора-гранулятора. Поэтому при ведении технологического процесса целесообразно стабилизировать расход аммиака на рампу.