Повышение эффективности производства модифицированных сухих строительных смесей на основе энтропии процесса перемешивания

Актуальность работы. В настоящее время широкое распространение получают строительные технологии, основанные на применении модифицированных сухих смесей (смеси с модифицирующими химическими добавками), которые за непродолжительный период времени заняли лидирующие позиции в таких видах работ, как облицовочные, напольные и отделочные.

В условиях растущего потребления и производства модифицированных сухих строительных смесей, росте конкуренции, все более актуальной становится задача повышения эффективности производства при минимальных капитальных вложениях. И какая бы стратегия не была применена для решения поставленной задачи, наиболее важным является обеспечение стабильности свойств сухой смеси при минимальных затратах.

Стабильность свойств сухой смеси определяет, с одной стороны, контроль свойств исходных материалов и своевременная корректировка состава при изменении этих свойств в нормируемом диапазоне, с другой стороны — обеспечение точного воспроизведения лабораторных составов в многотонажном производстве, что целиком зависит от технологической схемы производства, используемого оборудования и отлаженности режимных параметров его работы.

Существующие теоретические и эмпирические модели, описывающие процесс качественного смешивания компонентов в виду отсутствия единых взглядов на суть процесса и единой методики проведения эксперимента не находят применения в производстве сухих строительных смесей для отладки режимных параметров работы смесителей.

В настоящее время в изучение закономерностей образования пространственно-временных структур в системах различной природы: физических, химических, биологических, экономических, социальных и т. д. все более глубоко проникает энтропия, что позволяет говорить об актуальности ее применения и для исследований основных закономерностей процесса смешивания сухих компонентов.

Цель работы. Целью работы является разработка методики описания интенсивности процесса смешивания компонентов сухих строительных смесей на основе информационной энтропии и расчета продолжительности промешивания.

Задачи работы:

— провести обзор используемых на предприятиях производящих модифицированные сухие строительные смеси технологий и оборудования для смешивания, методов определения качества смешивания и ограничения продолжительности смесительного процесса, методов моделирования смесительного процесса;

— разработать модель смешивания основанную на теории информационной энтропии и алгоритм расчета, позволяющие описать интенсивность смесительного процесса и рассчитать оптимальное время смешивания;

— разработать методику проведения эксперимента на промышленных установках по сбору данных для построения функции зависимости энтропии от времени и расчета продолжительности смесительного процесса;

— провести практическую апробацию разработанной методики на промышленной установке;

— изучить влияние последовательности загрузки компонентов и конструкции лопастей смесителей на интенсивность смесительного процесса и разработать рекомендации по их усовершенствованию.

Объект исследования. Объектом исследований является процесс смешивания компонентов сухих строительных смесей в циклических горизонтальных одновальных смесителях.

Гипотеза. Работа основана на том предположении, что существенное изменение структуры физической системы сопровождается возрастанием потока энтропии от нулевого уровня до максимума в оптимальный момент времени, после прохождения которого поток энтропии уменьшается и стабилизируется на новом уровне.

Методы исследований. В диссертационной работе использовано математическое моделирование процесса перемешивания компонентов сухих строительных смесей с помощью функции зависимости энтропии от времени. Для проведения исследований была составлена программа на языке FORTRAN. Обработка экспериментальных данных и получение результатов проводилось с помощью ЭВМ.

Научная новизна работы. Научная новизна работы состоит в следующем:

1. В ходе обзора используемых методов определения качества смеси получаемой в процессе смешивания сухих компонентов установлено, что их применение для расчета продолжительности перемешивания является затруднительным.

2. Разработана модель основанная на теории информационной энтропии, позволяющая описать интенсивность смесительного процесса дисперсных систем и рассчитать оптимальное время смесительного процесса.

3. Разработана методика практического применения разработанной модели для расчета продолжительности перемешивания.

4. На основе разработанной методики в ходе экспериментальных работ показано влияние последовательности ввода основных компонентов и добавок, а также конструкции лопастей смесителя на эффективность процесса смешивания.

Практическая ценность работы.

— результаты исследований влияния длительности смесительного процесса на качество смеси в соответствии с разработанной методикой показали возможность ее применения в производстве модифицированных сухих строительных смесей для расчета продолжительности смесительного процесса;

— сформулированы рекомендации к проектированию основных параметров смесителей способствующие повышению эффективности процесса смешивания;

— результаты исследований выполненные на двух промышленных установках по производству сухих строительных смесей показывают возможность применения разработанной методики для сравнительной оценки эффективности горизонтальных одновальных смесителей циклического действия.

Достоверность полученных результатов. Достоверность работы подтверждается соответствием результатов обработки полученных экспериментальных данных с помощью разработанной методики оценке качества продукта в процессе смешивания.

На защиту выносится. На защиту выносятся следующие результаты работы:

1. Модель описания интенсивности смесительного процесса и определения оптимального времени смешивания на основе информационной энтропии.

2. Методика проведения эксперимента на промышленных установках по сбору данных для построения функции зависимости энтропии от времени и расчета продолжительности смесительного процесса.

3. Методика ввода компонентов сухой смеси в горизонтальный одновальный смеситель работающий в режиме центрифугирования.

4. Конструкция циклического горизонтального одновального смесителя и режим работы при производстве модифицированных сухих строительных смесей.

Апробация работы. Результаты работы прошли апробацию в ООО «Кон-солит», ОАО «Гипсобетон», и на международной научно-технической конференции «Интерстроймех 2006».

Публикации. По работе опубликовано десять статей. Объемы работы. Работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка литературы, включающего 80 наименований отечественной и зарубежной литературы. Общий объем работы составляет 148 страниц машинописного текста.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

1. Выполненный анализ основных направлений развития и совершенствования техники и технологии смешивания сухих материалов показал, что в свете современных технологий перспективны циклические горизонтальные одновальные смесители работающие в режиме центрифугирования, которые возможно применять на производствах любой мощности, что делает актуальным исследование повышения эффективности их работы.

2. Установлено, что применение существующих методов исследования эффективности работы смесителей, приводит к возникновению противоречий при ограничении времени смешивания, поскольку в их основе лежит понятие дисперсия зависящее от объема выборки. Показаны пути совершенствования моделирования процесса смешивания за счет применения более информативных показателей чем дисперсия.

3. Разработана модель описания процесса смешивания дисперсных систем основанная на информационной энтропии. Показано, что в случае производства модифицированных сухих строительных смесей важным фактором повышения эффективности работы смесителя является последовательность ввода компонентов, а в качестве показателей характеризующих эффективность конструктивно-технологических параметров смесителя могут выступать коэффициенты интенсивности протекания процесса смешивания аир. Коэффициент Р характеризует интенсивность протекания конвективного и диффузионного смешивания, а коэффициент амаксимальную величину сегрегации которая может наблюдаться в смесителе данной конструкции.

4. Разработана методика практического применения модели описания процесса смешивания дисперсных систем основанной на информационной энтропии, применение которой на практике позволяет сравнить эффективность работы горизонтальных одновальных смесителей различных конструкций.

5. Осуществлена апробация разработанной методики на ООО «Консолит» и ОАО «Гипсобетон». Проведены сравнительные испытания смесителей применяемых на промышленных установках ООО «Консолит» и ОАО «Гипсобетон», в ходе которых были подтверждены результаты теоретических исследований. Показано, что эффективность работы смесителя можно повысить изменением конструктивно-технологических и режимных параметров.

6. Основными требованиями к конструкции горизонтальных одновальных смесителей являются:

— циклический принцип действия смесителя;

— коэффициент Фруда более 3;

— наличие 2-х типов лопастей расположенных на разных радиусах с уклоном в двух плоскостях: параллельной и перпендикулярной оси вращения;

— наличие как минимум 3-х загрузочных отверстий: для ввода добавок, для ввода основных компонентов, воздуховод.

7. Уменьшение времени перемешивания на промышленной установке по производству модифицированных сухих строительных смесей ОАО «Консолит» позволяет повысить производительность технологической линии на 1,35 т /час (25%), без ущерба качеству выпускаемого продукта.