Повышение эффективности производства сложных минеральных удобрений путем оптимизации процессов гранулирования и сушки (стр. 3 )

10

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; Qт. г..- расход топочных газов на входе в СБ; Tт. г - температура топочных газов, идущих на процесс сушки, 0С;

         Выходными параметрами, которые нужно поддерживать и которыми можно управлять в СБ, являются следующие:  Шпрод – влажность готового продукта, %; Tпрод - 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

Наименование   параметров Интервал	, м3/ч	, м3/ч
минимум	353,8	5949,6
максимум	595	7770,8

         

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

Наименование   параметров Интервал	ш, %	t, C0	м. о1.	Tт. г., С0
минимум	2,1	85	1,85	380
максимум	2,3	97	1,87	430

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.