Автоматизация подбора фракционного состава фильтрующих материалов для промышленных предприятий

Актуальность работы. Рост промышленного производства в нашей стране сопровождается повышением потребления воды использующейся в технологических процессах.

В структуре потребления воды 35% приходится на все отрасли промышленности, кроме теплоэнергетики, 33% - на теплоэнергетику, 18% составляют сбросы стоков с мелиорированных полей и 14%- сбросы коммунально-бытового хозяйства городов и сельских населенных пунктов.

Как видно основная доля потребления воды приходится на промышлено ность (около 90 км /год). Например, для выплавки 1 т. стали требуется.

3 3.

200.250 м воды, 1 т. целлюлозы — 1300 м, на нефтехимических заводах для переработки 1 т. нефти расходуется 18.22 воды и т. д.

В настоящее время положение усугубляется тем, что после приватизации основного числа предприятий (в том числе и экологически «грязных»), новым хозяевам не хватает денег для постройки или модернизации очистных сооружений, что приводит к сбросу загрязнённой воды в окружающую среду.

В то же время существуют требования к выпуску сточных, вод в соответствии с нормами СН 245 — 71, а также дополнительными перечнями, утвержденными главным государственным санитарным врачом РФ № 1194, № 1521 — 76, № 1842 — 78. Не выполнение этих требований по очистке воды ведёт к серьёзной административной, а во многих случаях и к уголовной ответственности, поскольку согласно постановления пленума Верховного Суда РФ от 5 ноября 1998 г. № 14 эксплуатация объектов с неисправными очистными сооружениями и устройствами, отключение очистных сооружений и устройств, совершение иных действий, повлекших загрязнение водоемов и водных источников и причинивших существенный вред животному или растительному миру, лесному или сельскому хозяйству, квалифицируется по соответствующей части статьи 250 УК РФ.

Из всего сказанного видно, что вопрос очистки вод сброса промышленных предприятий, который и ранее был актуален, в современных условиях приобретает особо острый характер.

Решение этого вопроса напрямую связано с задачей разработки и применения современных очистных установок, способных при небольших габаритах и стоимости эффективно очищать сточные воды от примесей. В этом случае, пожалуй, единственным способом решения этой задачи является разработка производительных и дешевых фильтрующих элементов.

Как показал проведённый анализ, генеральным направлением совершенствования фильтрующих элементов является разработка и внедрение композиционных материалов обеспечивающих заданную степень очистки. В го же время основной проблемой, в различных отраслях промышленности, где используются композиционные материалы, является определение их состава с достаточной степенью точности.

В технологии композиционных материалов матричного типа (скрепляющая матрица с введённым в неё заполнителем) при подборе их составов основными факторами являются фракционный состав заполнителя и его объёмная концентрация.

В настоящее время при расчете состава смеси эти факторы учитываются косвенно, на основании эмпирических данных, поскольку не существует алгоритмизированных методов, позволяющих учитывать влияние разброса фракционного состава заполнителя и его объёмной концентрации на отпускные характеристики готового материала, что приводит к большим вариациям свойств от изделия к изделию и, как следствие, к значительному проценту брака.

Из-за сложности таких гетерогенных структур невозможно получение строгих аналитических зависимостей позволяющих учитывать данные факторы, поэтому особую актуальность приобретают научные исследования, направленные на разработку автоматизированных технологий подбора фракционного состава фильтрующих элементов, основанные на методах компьютерного математического моделирования.

Таким образом, создание автоматизированной системы подбора состава компонентов композиционных фильтрующих материалов, учитывающей изменение отпускных характеристик (в частности фильтрующих свойств) в зависимости от фракционного состава и концентрации заполнителя является весьма актуальной задачей.

В настоящей работе будет рассмотрен композиционный материал на основе пористой проницаемой керамики (ПГЖ).

Цель работы. Целью диссертационной работы является разработка теоретических основ оперативного автоматизированного управления процессом приготовления компонентов фильтрующих элементов на основе пористой проницаемой керамики на основе требуемых параметров готовых изделий, включающего в себя процессы расчёта состава материала и дозирования его компонентов, а также создание автоматизированной системы управления осуществляющей данные процессы.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

— Разработана математическая модель связи пористости пористой проницаемой керамики с гранулометрическими характеристиками заполнителя и его объёмной концентрацией с целью последующего проведения анализа и выбора основных направлений совершенствования методов подбора состава ППК.

— Проведен анализ, выбор и обоснование направлений и методов совершенствования автоматизации процесса дозирования компонентов ППК, для чего разработаны математические основы закона управления дозами компонентов смеси с учетом ограничений на допустимые погрешности дозирования.

— Синтезирована структура и технически реализована автоматическая система подбора состава и дозирования для приготовления компонентов ППК.

— Осуществлена экспериментальная проверка автоматизированной системы дозирования для приготовления компонентов ППК и оценена её техническая эффективность в производственных условиях.

К защите представляются:

— Математическая модель структуры пористой проницаемой керамики на основе вероятностно — геометрической концепции.

— Математические модель для анализа связи пористости пористой проницаемой керамики с объёмной концентрацией заполнителя.

— Математическая модель управления технологическим процессом связного многокомпонентного дискретного дозирования и закон управления дозами компонентов с учетом ограничений на допустимые погрешности дозирования.

— Автоматизированная система управления процессом приготовления компонентов пористой проницаемой керамики, включая подсистему дозирования.

Методы исследования. Теоретические и расчетно-аналитические исследования базировались на положениях теории «перколяции» и «эффективной среды», методах математического компьютерного моделированияи синтеза систем автоматизированного управления применительно к поставленной задаче.

Научная новизна работы заключается в следующем:

Научная новизна диссертации состоит в теоретическом обосновании и практической реализации автоматизированных методов оптимизации технологии подбора и дозироваиия компонентов смеси ППК.

Разработана математическая модель структуры ППК материала на основе метода случайных упаковок в рамках вероятностно — геометрической концепции.

Разработана методика автоматизированного подбора состава смеси, применяемого для реализации последующего дозирования компонентов ППК.

Впервые предложен метод определения критического индекса континуальных задач теории «перколяции» — «критической концентрации», позволяющий расширить область применения теории «перколяции» при исследовании двухкомпонентных композиционных материалов.

Получена взаимосвязь пористости ПГЖ и объемной концентрации заполнителя.

Найдена взаимосвязь между критической концентрацией и диапазонами вариаций гранулометрического состава заполнителя.

Разработана математическая модель управления технологическим процессом связного многокомпонентного дозирования и закона управления дозами компонентов с учетом ограничений на допустимые погрешности дозирования;

Разработана методика построения алгоритмов и прикладных программ для реализации автоматизированной системы управления подбором состава и дозированием компонентов смеси.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Общая концепция автоматизации технологического процесса приготовления компонентов ППК с оптимизацией по концентрацион-но — гранулометрическим свойствам заполнителя.

2. Математические модели для анализа связи фильтрующих свойств ППК со свойствами заполнителя и его объёмной концентрацией.

3. Математическая модель управления технологическим процессом связного многокомпонентного дискретного дозирования и закон управления дозами компонентов с учетом ограничений на допустимые погрешности дозирования.

4. Автоматическая система приготовления компонентов ППК, включая систему дозирования.

Практическая значимость работы. Полученные в диссертации результаты позволяют производить оперативный подбор оптимального состава ППК, произвести дозирование компонентов ППК с максимальной точностью, а так8 же оценить возможное отклонение от заданных установок. Опытная эксплуатация разработанного математического, информационного и программного обеспечения, полученные с его помощью результаты, подтвердили его высокую эффективность для решения поставленных в диссертационной работе задач. Внедрение результатов исследований в МУП «Горводоканал» г. Грозного" и ГУГТ Завод «Трансмаш» позволило снизить вариацию по тонкости очистки от образца к образцу до 10%, что является допустимым по технологическим нормам и получить снижение затрат за счёт уменьшения доли бракованных изделий в готовой продукции.

Реализация результатов работы. Разработанная автоматизированная система апробирована в МУП «Горводоканал» г. Грозного" и ГУП Завод «Трансмаш».

Апробация результатов. Основные научные положения и результаты диссертационного исследования докладывались и обсуждались на:

67 и 68 научно-методических конференциях МАДИ (2009; 2010 г.);

30-й Московской международной выставке «Образование и карьераXXI век». Москва 2009 г.

Публикации. Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 8 печатных работах.

Объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, общих выводов, приложений и списка литературы. Работа изложена на 161 страницах машинописного текста, содержит 59 рисунков, 5таблиц.

Список литературы

включает 101 наименований работ отечественных и зарубежных авторов.

Общие выводы по диссертационной работе.

1. Обеспечение очистки сточных вод является важной производственной и экологической задачей для промышленности Перспективным направлением повышения эффективности очистки вод является применение в качестве фильтрующих элементов композиционных материалов на основе пористой проницаемой керамики (ППК) получаемой методом «выгорающих добавок», однако их стоимость весьма высока из-за большого количества бракованных изделий, достигающего 40% от общего выпуска.

2. Поскольку на эффективность очистки вод основное влияние оказывает концентрация и фракционный состав выгорающих добавок, то основополагающими технологическими факторами, влияющими на качество выпускаемых изделий, являются методика подбора фракционного состава ППК и точность дозирования её компонентов при промышленном производстве.

3. Разработана математическая модель структуры ППК на основе вероятностно — геометрической концепции формирования структур композиционных материалов, синтезирован моделирующий алгоритм и программа «.ТРАК» позволяющие моделировать структуру ППК с объемной концентрацией выгорающих добавок до 0,3.0,4.

4. Разработана математическая модель связи пористости ППК с объёмной концентрацией выгорающих добавок в приближении теорий «перколя-ции» и «эффективной среды» и получено выражение позволяющее рассчитывать объёмную концентрацию выгорающих добавок для получения ППК с заданной пористостью.

5. Разработана математическая модель, синтезирован алгоритм и программа «СгйСопс» для определения «критических концентраций» «континуальных» задач теории «перколяции». Получена аналитическая зависимость связывающая значение критической концентрации с фракционным составом выгорающих добавок в диапазоне 0,01. 0,1 б.

6. Разработан закон управления дозами компонентов с учетом ограничений.

126 на допустимые погрешности дозирования, отличительной особенностью которого является то, что на каждом этапе дозирования осуществляется прогнозирование величины результирующей массы смеси с целью снижения ее вариации.

7. Обоснована и синтезирована структура автоматизированной системы подбора фракционного состава ППК и разработан технический комплекс подбора фракционного состава и управления дозированием компонентов ППК.

8. Экспериментальная проверка разработанной автоматизированной системы подбора фракционного состава ППК на ГУП «Завод «Трансмаш» (г. Грозный) показала, что ее применение позволяет свести вариацию по тонкости очистки от образца к образцу к 10%, что является допустимым по технологическим допускам.