Формализация силикатной химико-технологической системы.

 

Владимиров А.Л.

 

Химико-технологическая система (ХТС) представляет собой совокупность взаимосвязанных технологическими (энергетическими, материальными) потоками аппаратов, в которых последовательно или параллельно происходит операция обработки исходного сырья, промежуточных продуктов и реагентов (1). Т.е. такая система включает в себя сам технологический процесс, аппараты, средства контроля и управления и их взаимные связи.

Формализация ХТС базируется на:  - введение операторов – технологического, функционального, модульного;   построение операторной схемы; потокового графа; структурно-динамической схемы; выведении уравнений теплового и материального балансов (2).  Вышеперечисленные действия можно отнести к начальному этапу инженерного творчества при конструировании интеллектуальных экспертных САПР.

Предметной областью работы автора были силикатные ХТС, в частности ХТС производства портландцемента. Портландцементные сырьевые смеси представляют собой полидисперсные, полиминеральные физико-химические системы, с разбросом размеров частиц от 2Нм до 200-300 Мкм. В соответствии с законом Гиббса – Гельмгольца, поверхностная энергия полидисперсной системы самопроизвольно стремится к уменьшению:

F= σ∆S = ∆U – T∆S    (1)

Где σ – поверхностное натяжение, ∆S – удельная поверхность системы, ∆U – изменение поверхностной энергии системы, T – абсолютная температура, ∆S – изменение энтропии дисперсной системы.

Уменьшение свободной поверхностной энергии дисперсной системы происходит за счет уменьшения ее удельной поверхности, при установлении и последующем укреплении контактов между частицами. Это в свою очередь приводит к агрегированию  частиц.

Конечный продукт обжига портландцементных сырьевых смесей – клинкер – представляет собой плотные гранулы. Плотность гранул клинкера (вес литра) является косвенной качественной характеристикой цемента.             Следовательно, задачей технолога является интенсификация процесса агрегирования (агломерации) материала в процессе его производства, для получения продукта более высокого качества. Целью же кибернетика является конструирование интеллектуальной экспертной САПР для синтеза новой силикатной ХТС или интенсификации существующей.

Автором был выбран второй способ действия – интенсификация существующей ХТС. Автор исходил из постулата, сформулированного Сулименко Л.М. (3): процесс технологической переработки портландцементной сырьевой смеси представляет собой непрерывную цепь ее структурных изменений. Оказывая внешнее воздействие на том или ином этапе структурообразования, в зависимости от условий процесса или необходимости, можно добиться  интенсификации процесса агломерации.

Для реализации данной идеи осуществлялась формализация материального потока ХТС, путем введения оператора структуры материального потока ХТС.

Описание операторов структуры приводится ниже.

Операторы свободно – дисперсной структуры:

             Оператор свободно - дисперсной бесструктурной системы.

 

В системе частицы дисперсной фазы не связаны друг с другом в сплошную сетку и способны перемещаться достаточно независимо в дисперсионной среде под влиянием броуновского движения и силы тяжести. К свободно-дисперсным системам относятся сырьевые шламы (система Т/Ж) и сырьевая мука (система Т/Г). В динамике процессов их приготовления (измельчения), транспортировки и перемешивания их можно рассматривать как  бесструктурные системы, принимая, что между частицами дисперсной фазы отсутствует взаимодействие.

 Прочность возможных случайных контактов определяется свойствами индивидуальных частиц дисперсной фазы, а вероятность возникновения контакта – ее концентрацией С.

В системе Т/Г взаимодействие частиц обеспечивается Ван-дер-ваальсовыми силами и силами электрического взаимодействия. Ван-дер-ваальсовы силы проявляются еще до непосредственного взаимодействия частиц. Для предельно сближенных частиц их величина равна – 10^-4 – 10^-5 н. Величина их зависит от природы материала - П, формы соприкасающихся тел – Ф, размера частиц – d, шероховатости поверхности – Ш и зазора между ними ( l ).

Fвз. = ƒ (п,ф,ш, d, С,l).                                 ( 2 )

В системе Т/Ж взаимодействие частиц осуществляется через прослойки жидкой дисперсионной среды, которая ослабляет действие Ван-дер-ваальсовых сил и исключает действие электрических. Помимо d, п,ф, С на прочность случайных контактов влияют свойства дисперсионной среды: σ – поверхностное натяжение, W – влажность шлама и характер взаимодействия твердой и жидкой фаз – краевой угол смачивания -cos θ. (Шероховатостью поверхности и упруго-пластическими свойствами в жидкой дисперсионной среде можно пренебречь. )

Fвз. = ƒ (п,ф, d, С,  σ, W, cos θ )                         ( 3 )

 

             Оператор свободно- дисперсной коагуляционной структуры.

 

Вследствие энергетической насыщенности дисперсной системы, ее состояние неустойчиво и при оставлении в покое она неизменно структурируется. Подобное происходит в шламбассейнах и трубопроводах при застаивании шлама ( система Т/Ж), в емкостях для порошкообразной сырьевой муки ( система Т/Г). В результате формируется самостоятельный класс свободно-дисперсных систем с коагуляционной структурой. Здесь зерна дисперсной фазы частично  связаны друг с другом силами различной природы, с образованием пространственных каркасов. Такие системы, в известной степени, обладают свойствами твердых тел: способность сохранять форму, незначительной прочностью, упругостью. Малопрочные связи в системе между частицами структуры легко могут быть разрушены и она восстанавливает изначальную реологию. 

 В системе Т/Г образование контактов коагуляционной свободно-дисперсной структуры происходит под влиянием внешнего компрессионного воздействия  Q, которое определяет силу поджима частиц друг к другу Q₁ , влияет на плотность их упаковки φ  и площадь индивидуальных контактов S_к . Последние два параметра зависят от упруго-пласических свойств материала частиц (F трения) и степени упрочения контактов под нагрузкой.

F_вз = ƒ Q { Q_1, S_к  ƒ (уп, ст. у. к.) }            (4)

Площадь контактов ( S_к ) и усилие поджима частиц ( Q₁ ) – обуславливает прочность единичных контактов между частицами F₁ , а размер частиц d и степень заполнения объема  φ – удельное число контактов в поперечном сечении слоя материала –υ. В конечном счете прочность свободно – дисперсной коагуляционной структуры:

Р_{коаг. св.д.} = F₁* υ.           (5)

На взаимодействие частиц сильное влияние оказывает внешнее компрессионное воздействие.

В системе Ж/Т прочность свободно- дисперсной коагуляционной структуры также описывается уравнением (5). Поскольку в сырьевом шламе частицы взаимодействуют через прослойки воды, упруго-пластическими свойствами и шероховатостью поверхности можно пренебречь, а υ будет определяться соотношением твердой и жидкой фаз ( уравнение3)

  Операторы дисперсно - связанной структуры:

 

Дисперсно-связанные системы формируются в результате уплотнения свободно-дисперсных систем Т/Ж и Т/Г и представляют собой, как правило, компактные тела (комья, гранулы и т.д.). Прочность дисперсно-связанных структур на несколько порядков выше прочности свободно- дисперсных.

               Оператор дисперсно - связанной коагуляционной структуры

 

Дисперсно-связанные коагуляционные структуры формируются в системах Ж/Т. В них уже твердое вещество является дисперсионной средой, а жидкость – дисперсной фазой. Такие системы появляются в процессе грануляции или брикетирования, при добавлении ограниченного количества воды к порошкообразному материалу, а так же при сушке и фильтрации шлама – т.е. удалении избыточной влаги.

В силу несжимаемости жидкой фазы на формирование дисперсной коагуляционной структуры в системе Ж/Т компрессионное воздействие не влияет.

При уменьшении влажности шлама W внешнее воздействие Q обеспечивает рост числа контактов и их площадь, усиливает проявление действия молекулярных сил, переход аутогезионных контактов в когезионные. Наличие жидкой фазы обуславливает проявление капиллярных сил (таб.1), влияние которых на процесс структурообразования с течением времени становится решающим. Оптимальное количество влаги W_опт   в дисперсно-связанной коагуляционной структуре зависит от плотности ее упаковки φ и от внешнего компрессионного воздействия Q. Чем выше Q , тем больше φ и соответственно ниже W_опт. Формирование диперсно-связанной коагуляционной структуры может быть обеспечено двумя путями: либо введением определенного количества воды (W) в систему Т/Г, либо удалением избытка воды из системы Т/Ж сушкой при определенной температуре (Т). В последнем случае прочность структуры получается выше.

  Оператор дисперсно – связанной коагуляционно-конденсационной структуры

 

Конденсационные структуры портландцементных сырьевых шихт формируются только под воздействием температуры при химических превращениях в дисперсной системе. Их формирование сопровождается процессами массо- и теплообмена, появлением новообразований на границах контактов. Появление новообразований обеспечивает переход от коагуляционных контактов к прочным фазовым связям, что способствует упрочению и уплотнению структуры.

Химическое взаимодействие между частицами дисперсной системы начинается и идет по мере продвижения материала по печи, вплоть до зоны спекания. Длительность данного процесса обуславливает введение промежуточной коагуляционно-конденсационной структуры. К таким системам относятся дисперсные системы Г/Т, где  дисперсной фазой являются гранулы в зонах подогрева, декарбонизации, экзотермических реакций вращающихся печей.

Результаты ряда исследователей  указывают на наличие жидкой фазы уже при температуре 400-500° С и протекании химических реакций через расплав, с образованием  кристаллических соединений. Это позволяет предположить наличие локальных участков кристаллизационной структуры.

 

 Оператор дисперсно – связанной конденсационно-кристаллизационной  структуры

Конденсационно-кристаллизационные структуры формируются как в результате образования прочных химических связей между частицами (конденсационный компонент структуры), так и вследствие сращивания кристаллов при выделении из расплава новой фазы (кристаллизационный компонент структуры). К конденсационно-кристаллизационным структурам относятся системы Ж/Т – гранулы в зоне спекания, а так же системы Г/Т – портландцементный клинкер.

Список литературы:

1.Дорохов И.Н., Меньшиков В.В. Системный анализ процессов химической технологии.– М.: Наука,2005.– 582с.

2. Кафаров В.В., Мешалкин В.П. Анализ и синтез химико-технологических систем. – М.: Химия, 1991. – 432с.

3. Сулименко Л.М., Альбац Б.С. Агломерационные процессы в производстве строительных материалов. – М.: ВНИИЭСМ, 1994. – 299 с.