Гранулирование

10.1. Структура и эффективность функционирования. системы получения гранулированных продуктов

Показатели качества гранулированного продукта условно можно разделить по стадиям их формирования на три катего­рии: до процесса, гранулирования; непосредственно в момент гранулообразования; после фиксации структуры гранул. Из групп процессов, составляющих именно эти стадии, и склады­вается основная ветвь системы получения гранулированного продукта.

Обязательным элементом современной технологической си­стемы является подсистема очистки выбросов, формирующая их состав. Она прямо не участвует в процессах получения продук­та, но существенно от них зависит. Чем совершеннее основные процессы, тем меньше роль вспомогательных.

При такой структуре технологической линии центральной в ней, естественно, является подсистема гранулирования, в кото­рую входят также процессы, обеспечивающие упрочнение струк­туры гранул (сушка, охлаждение и т. п.). В центральной подси­стеме сосредоточены связи со всеми подсистемами, в зависимо­сти от функционирования которых меняется и ее структура. Очевидно, чем она сложнее, чем больше процессов в ней осу­ществляется, тем в большей степени она должна быть защище­на от неустойчивых воздействий внешней среды. Источниками нестабильности процессов являются колебания физико-химиче­ских свойств сырья, износ оборудования, погрешности ручных приемов работы, изменяющиеся тепловые и динамические воз­действия на обрабатываемый материал.

В зависимости от качества конечного продукта, используе­мого сырья, степени отработанности процесса, наличия и со­стояния того или иного вида оборудования, экологических условий в точке строительства завода и других показателей возможны различные технологические схемы гранулирования. Однако, несмотря на многообразие свойств гранулированных продуктов и схем получения, в их технологии можно выделить четыре группы процессов, каждая из которых служит достиже­нию одной из следующих целей:

образование из сырья полупродукта (пульпа, паста, плав, порошок и т. п.) заданного химического состава с частичным удалением влаги;

образование гранул и упрочнение их структуры путем уда­ления жидкой фазы;

выделение из гранулированного продукта товарной фракции и обеспечение требуемых физических свойств; очистка выбра­сываемых в окружающую среду продуктов от вредных приме­сей.

Для примера рассмотрим структуру технологии гранулиро­ванных удобрений. Их качество в основном характеризуется химическим и гранулометрическим составом, влагосодержани­ем, прочностью, слеживаемостью. Формирование этих свойств идет на всех стадиях, однако, по наибольшему вкладу к первой ■структурной группе процессов следует отнести тонкое измель­чение сырья, смешение реагентов, химическое взаимодействие, частичное или полное удаление влаги упариванием, разделение твердой и жидкой фаз. Вторая группа — процессы гранулирова­ния с последующей или одновременной стабилизацией структу­ры гранул термическим или химическим методом. В третью группу входят процессы, улучшающие потребительские свойст­ва продукта без изменения структуры гранул, а именно рассев, дробление, охлаждение, поверхностное модифицирование гра - ,нул. Четвертая группа — процессы выделения из отходов га­зообразных, жидких и твердых примесей исходного сырья и продуктов его взаимодействия (абсорбция, отделение пыли и пр.).

Все процессы технологической схемы получения гранулиро­ванного продукта в той или иной мере влияют друг на друга, т. е. являются элементами одной большой системы. Улучшение работы одного элемента без учета его связей с другими часто приводит к тому, что вся линия работает далеко не в оптималь­ных условиях. Для повышения эффективности работы линий их следует рассматривать как системы осуществляемых в них про­цессов, для чего прежде всего необходимо выбрать критерий эффективности функционирования.

Перед системой стоит многоцелевая задача: получение про­дукта заданного качества, обеспечение определенной произво­дительности и затрат сырья, энергии, труда. Эффективность вы­полнения этой задачи характеризуется наиболее экономичным и достаточно интенсивным превращением сырья в продукт тре­буемого качества. Показатель эффективности функционирова­ния системы оценивает степень ее приспособленности к выпол­нению поставленной цели. Он должен: объективно характери­зовать систему; иметь прямую связь с ее целевым назначением; быть чувствительным к изменению основных параметров, доста­точно простым и полно характеризующим качество работы си­стемы; учитывать все основные особенности и свойства системы,

условия ее функционирования и взаимодействия с внешней сре­дой.

Выбор показателя эффективности решает одну из следую­щих задач: повышение качества продукции при постоянных за­тратах и производительности; минимизация затрат или увеличе­ние производительности при неизменных двух остальных пока­зателях.

Для оценки качества продукции предложен [163] детерминированный критерий аддитивно-мультипликативного вида:

mi m2

/. (Г,) =* 2 аі [ У і (*— ^и)12 + 2 1Ь V і W УГ Шахі +

/=1 І=пгі

т п

+ 2 7ДК/тіп-К(Л)] + 2 Ч{Хк~Х*) (10.1)

/=Ш2 *= 1

где aj, рj, 7;, V;, — весовые коэффициенты, характеризующие вклад данного показателя в качество продукции; У;„ — номинальные значения показателей качества продукции; Хн« — номинальные значения входных переменных си­стемы.

Этот критерий имеет конкретное функциональное выражение при зада­нии весовых коэффициентов, осуществляемом методом экспертных оценок. Обычно для конечной продукции все показатели качества обязательны к вы­полнению и имеют допустимые граничные значения. В связи с этим избыточ­ность одного показателя качества не может компенсировать недостаток дру­гого, и применение столь сложного критерия становится неправомерным.

Другой подход к оценке эффективности функционирования системы или любого ее элемента заключается в определении степени завершенности той или иной операции при условии обеспечения требуемого на данном этапе переработки качества продукта. Такую эффективность назовем технической (г)). Максимальное ее значение равно 1. При т] = 0 система не рабо­тает в режиме получения продукта заданного качества. Расчет­ные формулы для некоторых типовых процессов приведены в табл. 10.1.

Техническая эффективность рассмотренных процессов ха­рактеризует лишь глубину превращения сырья в продукт тре­буемого качества, но не учитывает затраты времени и энергии. Так, все типы реакторов, применяемых в производстве аммо­фоса, обеспечивают аммонизацию кислоты до требуемого мо­лярного соотношения NH3: Н3Р04, т. е. их техническая эффек­тивность равна 1. Однако производительность и затрачиваемая мощность разные. Наиболее эффективно работает такой аппа­рат, который обеспечивает заданное качество продукта при ми­нимальных затратах энергии. В связи с этим целесообразно оценивать эффективность процесса по количеству продукта тре­буемого качества, полученного на единицу затрачиваемой мощ­ности. Она должна включать не только технические возможно­сти системы, группы аппаратов, аппарата, но и затраты на до­стижение поставленных целей.

Таблица 10.1 Техническая эффективность типовых процессов
химической технологии

С увеличением возврата продукта в процесс эффективность системы падает. Остановки на чистку и ремонт также приводят к понижению эффективности за счет уменьшения средней про­изводительности. Считая, что удельные ремонтные и эксплуата­ционные затраты равны, изменение эффективности системы из - за остановок можно учесть коэффициентом технического ис­пользования kT, равным отношению рабочего времени к сумме рабочего времени и времени простоев по внутренним причи­нам [64], т. е.:

3=i)Qkr/N. (10.2)

где Q — расход продукта через систему; N — мощность (электрическая, теп­ловая), потребляемая системой.

Эффективность имеет размерность отношения массы к энер­гии; при ее расчете учитывается качество исходного сырья и ко­нечного продукта, производительность, надежность аппарата, энергозатраты, т. е. основные показатели процесса, поэтому в отличие от технической (т)) эту эффективность (Э) целесооб­разно назвать технологической. Она показывает выход продук­та такого качества, которое требуется именно на выбранной стадии данного технологического процесса и может характери­зовать качество функционирования не только системы, но и со­ставляющих ее элементов.

Максимальная технологическая эффективность достигается при различной технической эффективности, зависящей от тех­нологической схемы, в которую включен процесс. Так, в мало - ретурной схеме получения гранулированных удобрений макси­мальная технологическая эффективность линии достигается при технической эффективности грохочения 0,8—0,9. В многоретур - ных схемах после грохочения в ретуре остается 50—60% то -

варіюй фракции, что соответствует т) = 0,5—0,6, т. е. значитель­но ниже, чем в малоретурной схеме. Однако это позволяет зна­чительно увеличить пропускную способность аппарата и достичь - максимально возможной для данной схемы технологической эф­фективности.

Наибольшая техническая эффективность процесса гранули­рования достигается в окаточном барабане; эффективность ам - монизатора-гранулятора и барабанного гранулятора-сушилки вдвое, а аппарата с псевдоожиженным слоем на порядок ниже. Однако это не значит, что окаточный барабан следует исполь­зовать повсеместно, поскольку он применим только в определен­ных технологических схемах, в которых на стадию гранулирова­ния подают порошок, т. е. часть подготовительных операций проведена на других стадиях. В остальных упомянутых грану­ляторах исходным материалом является пульпа, и гранулооб - разование осуществляется одновременно с сушкой. Следова­тельно, оценка эффективности отдельных аппаратов правомер­на только внутри одной технологической линии. Для сопостав­ления однотипных аппаратов различных технологических линий следует рассматривать систему в целом.

Технологическая эффективность отражает лишь часть экс­плуатационных свойств системы, характеризующих ее внутрен­ние возможности. Ее целесообразно использовать для предва­рительной оценки аппаратурного оформления технологической линии и выявления влияния технологических параметров на эффективность функционирования системы. Для более точной оценки в реальных условиях эксплуатации следует дополни­тельно учитывать трудозатраты и капитальные вложения. Эти показатели включены в приведенные затраты или себестоимость продукции, используемые рядом авторов в качестве критерия эффективности [165—167]. Аналогична по смыслу (при посто­янной цене) величина разности цены и себестоимости, т. е. при­быль, также используемая как критерий оценки [168, 169]. При рыночном механизме ценообразования именно прибыль наибо­лее полно отражает качество функционирования, так как через цену учитывает взаимодействие системы со сферой потребле­ния ее продукции.

Прибыль зависит от количества произведенной продукции, которая определяется производительностью и временем функ­ционирования линии. Производительность связана с режимом работы, а следовательно, влияет на параметрическую надеж­ность, которая, в свою очередь, ограничивает время функцио­нирования системы. Поддержание заданной надежности требу­ет определенных капитальных и эксплуатационных затрат. Сле­довательно, оценку работы системы следует осуществлять по комплексному показателю затраты — надежность.

В работе [165] показатель эффективности включает приве­денные затраты и выработку продукции, зависящую от надеж­ности. Сделана попытка оптимизировать надежность отдельных

видов оборудования. К недостаткам этого подхода следует отне­сти использование приведенных затрат вместо прибыли, что. полностью не отражает внешних связей системы. Кроме того, оценка прибыли по сопоставлению с работой эталонных образ­цов неправомерна, поскольку абсолютный минимум приведен­ных затрат приходится на максимум надежности, что является следствием принятой авторами независимости надежности от ре­жимов функционирования.

Именно это влияние и должно, в основном, учитываться кри­терием эффективности функционирования системы, поскольку оно определяет длительность работы оборудования. Итак, с од­ной стороны, надежность должна быть максимальной, а с другой ■стороны, затраты — минимальными. Две противоречивые вели­чины можно свести к одной — прибыли от произведенной про­дукции Пр. Тогда условием оптимальной работы системы будет:

Пр = (Ц — С) QnpT П *-VT—max, (10.3)

где 1Д и С — цена и себестоимость продукции; N — индекс подсистемы; <2пр — производительность системы; т — календарное время.

Надежность учтена как в величине С, так и в другом сомно­жителе, отражающем выпуск продукции, причем ее влияние на величину сомножителей противоположное, а оптимум прибыли зависит от режима работы системы.

Расчет параметров функционирования линии получения гранулированно­го аммофоса по максимуму прибыли показал [18], что, в отличне от ранее считавшегося целесообразным упаривания пульпы перед сушкой до мини­мально возможного влагосодержания, оптимально упаривание до влагосо - держания 0,37—0,54 с последующей досушкой в БГС. Этот, иа первый взгляд, неочевидный результат объясняется тем, что с уменьшением влаго­содержания пульпы усложняется эксплуатация выпарных установок и уве­личивается образование мелкой фракции продукта прн сушке. Так, коэффи­циент теплопередачи в выпарном аппарате для пульпы с влагосодержанием 0,25—0,28 вдвое меньше, чем для пульпы с влагосодержанием 0,35—0,55, а время пробега между? чистками греющих камер соответственно втрое меньше. Процесс выпарки в последнем случае более устойчив, тогда как при малом влагосодержании пульпы и нарушении режима возможна полная за­купорка аппарата, восстановление работоспособности которого весьма тру­доемко и требует специального оборудования.

Увеличение содержания мелкой фракции продукта в БГС приводит к росту уноса, что осложняет работу абсорбционного оборудования, уменьша­ет длительность межремонтного пробега. Возрастают также нагрузки на внутрицеховой транспорт, грохоты. Повышение влагосодержания пульпы, распыляемой в БГС, приводит к необходимости увеличения теплового потен­циала сушильного агента, большая часть которого реализуется в первом периоде сушки. Это позволяет повысить интенсивность сушки и увеличить влагосъем.

Однако существует определенный предел производительности БГС, обу­словленный требованиями к качеству продукта, в частности его влагосодер - жанию, а следовательно, влагосодержаиию отработанного сушильного аген­та или пропорциональной ему (при прочих равных условиях) температуре сушильного агента на входе в БГС. Минимизация себестоимости переработки продукта в результате увеличения надежности при обеспечении требуемого качества продукта и позволяет найти оптимальный режим работы системы.

Таким образом, совместное решение уравнений, связываю­щих параметры режимов работы отдельных стадий с надежно­стью их совместного функционирования и качеством готового продукта позволяет на основе поиска максимума прибыли от выработанной продукции определить параметры работы техно­логической линии. Эта методика помогает также выбрать наи­более эффективный вариант технологической схемы и аппара­турного оформления.