Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 66.047.57

ПРЕДОТВРАЩЕНИЕ СЛЕЖИВАЕМОСТИ ГАЛИТА В ПРОЦЕССЕ ХРАНЕНИЯ ПУТЕМ ТЕРМООБРАБОТКИ В БАРАБАННЫХ СУШИЛЬНЫХ АГРЕГАТАХ С ОТРИЦАТЕЛЬНЫМ УГЛОМ НАКЛОНА

А.М. Байтуреев

На территории Жамбылской области имеется 22 месторождения соли. Они удалены друг от друга на значительные расстояния и расположены на обширной территории от предгорной равнины хребта Малый Каратау - на юге, до долины реки Шу - на севере Промышленно важное значение для региона Жамбылской области могут иметь богатые запасы солевых месторождений Сарысуского района. По прогнозам запасы колеблются на уровне 45 млн. тонн, только на одном из ближайших месторождений - Майдекенколе их около 10 млн. тонн /1/.

Что касается ее технических характеристик по оценке специалистов, и в пищевой, и в технической соли доля процента нерастворимых в воде веществ, калия, магния, сульфат иона ниже допустимых норм. А наличие содержания главного компонента - хлористого натрия составляет 98,6%, что положительно влияет на качество /1/.

Предприятия, которые используют привозную поваренную соль, испытывают серьезные неудобства вследствие склонности соли в процессе хранения слеживаться и превращаться в монолит.

Техническая соль, производимая из галитовых отходов подвержена повышенной слеживаемости. Для ее устранения рекомендуется, чтобы влажность соли не превышала 0,5%, а температура сушки должна быть не выше 120 оС /2/, а влажность пищевой поваренной соли по техническим условиям должны иметь заданную конечную влажность /3/.

Для получения необходимой влажности галита (поваренной соли) необходимо проведение процесса сушки.

В химической и других отраслях промышленности используются сушильные аппараты различных типов, но наиболее широко применяются барабанные аппараты.

Эффективность барабанных сушильных агрегатов во многом определяется интенсивностью тепло- и массообмена между сушильным агентом и высушиваемым материалом, а это, в свою очередь, зависит от распределения материала по сечению и длине барабана. Наиболее эффективными в этом отношении являются барабанные сушильные агрегаты с отрицательным углом наклона.

Одним из параметров, влияющих на производительность сушильных барабанов является количество материала (1), единовременно находящегося в нем, определяемое коэффициентом заполнения /4/.

где - коэффициент заполнения барабана, %;

D - диаметр барабана, м;

L - длина барабана, м.

В качестве критерия оптимальности выбираем производительность агрегата по сухому продукту G, выраженное уравнением (2) /4/.

Это уравнение справедливо только для барабанных агрегатов, установленных под отрицательным углом к горизонту.

Необходимо отыскать максимум критерия оптимальности, выраженного уравнениями (2) - (5) и подчиняющегося еще дополнительным уравнением, связывающим между собой управляющие параметры, т.е. нужно найти условный экстремум производительности.

,

;

;

.

В формулах (2) - (5)

G - производительность материала по сухому продукту, кг/ч;

tвх - температура агента сушки на входе в барабан, оС;

tвых - температура агента сушки на выходе из барабана, оС;

- массовая скорость сухого агента сушки по барабану, кг/(м2с);

с - плотность газа (воздуха), кг/м3;

- скорость агента сушки, м/с;

D - диаметр барабана, м;

- коэффициент заполнения барабана, %;

А, К0,34, П - коэффициенты;

L - длина барабана, м;

Wн и Wк - начальная и конечная влажность материала, %;

n - частота вращения барабана, об/мин;

- угол наклона барабана, град;

d - средний эквивалентный диаметр частицы, мм.

Дополнительное уравнение представляет собой эмпирическую связь коэффициента заполнения барабанного агрегата с остальными управляющими параметрами процесса в виде номограммы /5, (см. рисунок 2.1)/. Эту номограмму при помощи последовательного применения метода наименьших квадратов удалось представить в аналитическом виде (6):

Эта зависимость хорошо согласовывается (с точностью до 5%) в области изменения параметров /6/:

Эта область полностью отвечает физическим и конструктивным возможностям барабанных агрегатов, установленных в химической промышленности и в других отраслях промышленности.

Таким образом, сформируем задачу оптимизации необходимо отыскать условный максимум производительности, заданной уравнением (2) при наличии ограничений типа равенства (7).

В этих уравнениях содержится восемь управляющих параметров (переменных), из которых не все переменные независимы.

Очевидно, что не все переменные независимы. Во-первых, коэффициент заполнения агрегата невозможно задать, то есть является функцией остальных управляющих параметров, и его с помощью уравнения (6) можно исключить из рассмотрения. Выясним, какие параметры можно считать независимыми.

В работе /5/ показано, что с увеличением модуля отрицательного угла наклона барабана производительность установки возрастает, но в заводских условиях максимальный угол наклона обычно определяется размерами цеховых помещений, допустимыми нагрузками на опорные подшипники и устанавливаются при монтаже раз и навсегда конкретно для каждого агрегата. Таким образом, угол наклона является фиксированной величиной и из числа переменных условно исключается. Реальный диапазон изменения угла для барабанных агрегатов при сушке галита (поваренной соли) /6/.

Аналогично и начальная влажность материала является фиксированной величиной и зависит только от погодных условий. Обычно начальная влажность колеблется в диапазоне . Ее тоже условно можно исключить из числа переменных.

По техническим условиям хранения поваренной соли на выходе из барабанного агрегата должны иметь заданную конечную влажность /3/.

Таким образом, остается четыре параметра, управляющих процессом сушки: , причем один из них является зависимым, так как осталось одно неиспользованное уравнение связи (4). Как указывалось в работе /7/, экспериментально было обнаружено наличие условных экстремумов по переменным и , следовательно, для решения задачи оптимизации классическими методами математического анализа нужно исключить из числа независимых переменных температуры и .

Чтобы рассчитать производительность сушильного барабана по кинетическому уравнению (2), выбираем оптимальный угол наклона барабана , частоту вращения барабана , массовую скорость сушильного агента в барабане , коэффициент заполнения барабана галитом подсчитываем по уравнению (6), а также подсчитываем температуру отработанного сушильного агента на выходе из барабана . Оптимальные значения этих параметров выбираем из выше приведенных данных.

Подводя итоги можно отметить, что использование уравнения (6) позволяет на стадии проектирования сушильного агрегата определить оптимальные параметры его работы.

Статьяда галитті? (ас т?зыны?) са?тау процесінде жабысуын, кері е?кіш б?ры-шты барабанды агрегатта термо ??деу жолымен болдырмау т?сілі ?арастырылады.

Т?жірибелік м?ліметтерді математикалы? ??деу н?тижесінде, барабанды толтыру коэффициентіні? кептіру процесіні? бас?арылатын ?ал?ан параметрлерімен байланысын жазатын ж?не кептіріш агрегатты жобалау кезендерінде оны? ж?мысыны? оптимальды параметрлерін аны?тау?а м?мкіндік беретін регрессиялы? те?деу алынды.

In the article the way of the prevention the cookery salt pressing in process of keeping by heat processing in drum dry unit with negative angle of the slopping is considered.

As a result of mathematical processing of experimental data given equation to regressions, is received describing relationship of the factor of the filling the drum with the rest controlling parameter of the process of the drying and allows on stage of design of the dry unit to define the optimum parameters of its work.

Оценку качества кожкартона производят по 13 физико-механическим и более 5 гигиеническим свойствам. При составлении смеси, практически невозможно достичь по всем этим выходным параметрам оптимальных значений и поэтому оптимизацию процесса осуществляют по одной важнейшей выходной переменной - коэффициент относительной поперечной деформации.

В таблице 1 представлена рецептура экспериментальных смесей для получения кожеподобного картона на основе каучука. Здесь основными компонентами смеси являются каучук марки СКМС-30, измельченные отходы низа обуви и измельченные отходы картона.

Таблица 1 Рецептуры экспериментальных смесей для получения кожеподобного картона на основе каучука

Для обеспечения требуемого качества готовой продукции необходимо в смесь добавлять окись цинка, ДФГ, тиурам, контакс, серу и разные мякчители. Концентрация вспомогательных добавок очень незначительная и в сумме не превышает 4-3% по массе. Поэтому, при оптимизации процесса получения кожеподобного картона мы не учитываем их влияние.

В экспериментах было изучено влияние состава, и соотношения компонентов смеси на выходной параметр - относительную поперечную деформацию.

Главным технологическим ограничением в данном процессе является относительная поперечная деформация, при степени сжатия не более 0,5 мПа, так как давление на детали низа обуви при носке не превышает эту величину.

Оптимизацию экспериментальных смесей осуществляли по одной выходной переменной - коэффициентом поперечной деформации (коэффициент Пуассона), т.е. м=f(x1,x2,x3), где (x1,x2,x3) факторы эксперимента (каучук, измельченные отходы низа обуви и картона). На основе результатов расчета для оптимизации состава, смеси построены кривые равных значений свойства, на плоскости правильного симплекса, что позволяет провести оптимизацию показателей графическим методом.

В нашем случае для изучения свойств кожеподобного картона полученного из смеси отходов низа и верха обуви, картона измельченных до волокнистого состояния и каучука (трехкомпонентная смесь) выбран симплексно-решетчатый план Шеффе неполного третьего порядка {3,3*}, содержащий первые семь экспериментальных точек (таблица 2).

Таблица 2 Матрица симплексно-решеточного плана и результаты эксперимента

Факторами исследований являются относительные концентрации компонентов (отходы, картон и каучук), соответственно обозначенные x1, x2, x3. Поскольку состав компонентов влияет на качество, (эксплуатационные свойства), т.е. физико-механические и гигиенические свойства полученного материала (кожкартона), то в качестве выходной переменной (критерий оптимизации) выбран относительная вертикальная деформация.

В качестве модели для трехкомпонентной смеси выбран полином неполного третьего порядка:

где вi , вij , в123 при i=j=1, 2, 3 - искомые коэффициенты полинома.

Коэффициенты полинома определяются по следующим формулам /1, 2/:

На основе таблицы 2 и уравнений 2,3,4 получим регрессивное уравнение:

Проверку адекватности полученного уравнения (5) можно провести по t - критерию с использованием дополнительных экспериментальных точек 8-10:

где - разность между экспериментальными и теоретическими (рассчитанными по уравнению) значениями исходной переменной; е - число параллельных опытов в каждой точке симплекса; - среднеквадратичное отклонение (погрешность) экспериментальных данных; о - ошибка предсказания выходной переменной в зависимости от расположения контрольной точки на симплексе которая определяется по формуле:

где - вектор-функция, зависящая от вида модели и координат контрольной точки; Т - операция транспонирования вектора (например прямоугольная матрица АT, размером n x m, если где i=1,2,…m, j=1,2,…n); M - информационная матрица плана эксперимента, определяемая по формуле: барабан сушка смесь деформация

где F - матрица плана эксперимента X обобщенная видом функции.

Рассмотрим получение матрицы F на примере ПФЭ 22 для вида функции

(таблица 3).

Таблица 3 Матрица F

Для получения дисперсии адекватности можно применить уравнение остаточной суммы:

где - экспериментальные средние значения исходной переменной в дополнительных проверенных точках; - значение исходной переменной для условий xe проверенных точек, полученных по уравнению; g - число проверенных точек; - степень свободы остаточной суммы.

Дисперсия проверенных экспериментальных точек:

При уровне значимости q=0,05, число коэффициентов модели - 7 и число степеней свободы при определении погрешности опыта-2 табличное значение критерия Стьюдента tT=2,15. Результаты определения расчетного значения t -критерия по формуле (6) приведены в таблице 4

Таблица 4 Вычисление tp критерия

Поскольку неравенство tp < tT при заданном уровне значимости q=0,05 существует, то это значит что модель (6) адекватна, но с познавательной целью план эксперимента достраиваем до полного третьего порядка, принимая экспериментальные точки 8-10 за основные. План эксперимента третьего порядка представлен в таблице 5.

Для построения модели третьего порядка используется следующей полином /1, 2/:

+ж12x1x2(x1-x2)+ж13x1x3(x1-x3)+ж23x2x3(x2-x3)+в123 x1x2x3,

где в1=Y1 и т.д.

в12=9/4(Y112+Y122-Y1-Y2); в13=9/4(Y113+Y133-Y1-Y3);

в23=9/4(Y223+Y233-Y2-Y3); ж12=9/4(3Y112+3Y122-Y1-Y2) и т.д.;

в123=27Y123-27/4(Y112+Y122+Y113+Y133+Y223+Y233)+9/2(Y1+Y2+Y3) .

Таблица 5 Матрица и результаты эксперимента симплексно-решетчатого плана третьего порядка

После расчетов по данным таблицы 4, получено регрессивное уравнение:

Адекватность модели оценена по t-критерию (формула 9) в трех точках (11-13), в которых поставлено по два параллельных опыта. Значение о, определенное по контурным картам изолиний для симплекс-решетчатых планов третьего порядка равняется ?0,94.

Как следует из таблицы 5, неравенство tp<tT=2,06(N=13, e-1=3, q=0,05) указывает на адекватность модели (11), что дает возможность выявить влияние каждого компонента смеси для получения кожеподобного картона на свойства целой системы на основе построения контурных линий равного выхода.

На основе результатов расчета для оптимизации состава смеси построены кривые равных значений свойства на плоскости правильного симплекса (рисунок 1), что позволяет провести оптимизацию графическими методами, где связующим является каучук.

Кривые равного выхода значений коэффициента поперечной деформации м' при ограничении ее значений до 15% при нагрузке 0,5 мПа

Рисунок 1

Как следует из рисунка 1 коэффициент относительной поперечной деформации при нагрузке 0,5 мПа не превышает 15%, при соотношении компонентов смеси x1=0,37, x2=0,41 и x3=0,22.

Литература

1. Г.Т.Сутормин, О.В.Клипан. Отчет о результатах поисково-оценочных работ на кормовую соль в Джамбульской области Казахской ССР, проведенных в 1980-1981гг. Том №1, ПГО «Южказгеология», 1981.

2. Поваренная соль. Производство и применение в химической промышленности. /А.А.Фурман, М.П.Бельды, И.Д.Соколов. - М.: Химия, 1989 г. - 284 с.

3. ГОСТ 13830-91. Соль поваренная пищевая. Общие технические условия.

4. Стерлин Д.М. Сушка в производстве фанеры и древесностружечных плит. - М.: Лесная промышленность, 1977. - 383 с.

5. Интенсификация процессов и оборудования пищевых производств. Межвуз. сб. научн. трудов. -Л.: ЛТИ им. Ленсовета, 1980. С. 168.

6. Байтуреев А.М. Переработка и сушка в производстве поваренной соли. - Тараз: Тараз университеті, ТарГУ им. М.Х.Дулати, 2005. - 195 с.

7. Куатбеков М.К. Моделирование, оптимизация и расчет сушильно-десорбционных процессов в аппаратах с пневматическим и механическим движением дисперсных материалов: диссертация в форме научного доклада на соискание … д-ра техн. наук.- Шымкент, 1993. - 54 с.

Аннотация

В данной статье описаны эксперименты, в которых было изучено влияние состава и соотношения компонентов, использующихся в производстве картонов смеси на выходной параметр - относительную поперечную деформацию.

Берілген ма?алада картондар ?оспасыны? ?ндірісінде шы?у параметрлеріне - ?атысты к?лдене? деформациясына ?олданылатын ?оспаны? ?сері мен ??рамыны? ара ?атынасы зерттелінген эксперименттер к?рсетілген.

This article describes the experiments where the influence of mixture and ingredients used for carton production have been studied in view of an item otput - relative lateral deformation.

Размещено на Allbest.ru