Авторефераты по темам >>
Разные специальности - [часть 1] [часть 2]
УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССОМ РАЗДЕЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПУЛЬП МЕДНО-НИКЕЛЕВОГО ПРОИЗВОДСТВА В СОВРЕМЕННЫХ ФИЛЬТР-ПРЕССАХ
Автореферат кандидатской диссертации
На правах рукописи
САФОНОВ Дмитрий Николаевич
управление процессом разделения технологических пульп медно-никелевого производства в современных фильтр-прессах
Специальность 05.13.06 - |
Автоматизация и управление технологическими процессами иа аапроизводствами (металлургия) |
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
САНКТ-ПЕТЕРБУРГ
2012
Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Национальном минерально-сырьевом университете Горный
Научные руководители:
доктор технических наук, профессор
Белоглазов Илья Никитич
кандидат технических наук, доцент
Фирсов Александр Юрьевич
Официальные оппоненты:
Педро Анатолий Александрович
доктор технических наук, профессор,
ООО ЛЕННИИГИПРОХИМ, зав. лабораторией высокотемпературных процессов и аппаратов
Жмарин Евгений Евгеньевич
кандидат технических наук, ЗАО Оутотек Санкт-Петербург, менеджер по оборудованию
Ведущая организация: ООО Институт Гипроникель
Защита состоится 02 июля 2012 г. в 16 ч 30 мин на заседании диссертационного совета Д 212.224.03 при Национальном минерально-сырьевом университете Горный по адресу: 199106, Санкт-Петербург, 21-я линия, д. 2, ауд. 1303.
аа С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального минерально-сырьевого университета Горный
аа Автореферат разослан 01 июня 2012 года.
УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ
диссертационного совета
доктор технических наукаа аа аа ааВ.Н. БРИЧКИН
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы исследований
Поступающая на обезвоживание пульпа не постоянна по своему физико-химическому составу. Такие её параметры как крупность частиц, плотность твёрдой и жидкой фазы, концентрация, температура и др. изменяются во времени. Непостоянство параметров питающей пульпы и значительное время запаздывания в получении информации о протекании процессов обезвоживания в фильтр-прессе существенно усложняют задачу качественного управления.
Задача повышения эффективности разделения пульп на фильтр-прессах решается двумя основными путями. Первый путь заключается в совершенствовании математического описания процессов обезвоживания и методов тестирования пульп на фильтруемость. Огромный вклад в развитие и совершенствование математического моделирования процессов фильтрования внесли такие крупные специалисты, как В.А.Жужиков, В.Н. Виноградов, Р.Д. Вэйкман. Вследствие сложности создания точных математических моделей процессов фильтрования, наиболее перспективным является второй путь, заключающийся в повышении эффективности систем автоматического управления фильтр-прессами. Хорошо известны разработки отечественных (ООО Институт Гипроникель) и зарубежных (лOutotec, Andritz) организаций в области создания систем автоматического управления процессами фильтрования.
Однако существующие методы определения фильтруемости пульпы имеют ряд недостатков, связанных с высокой стоимостью и длительностью проведения тестирования. Существующие системы автоматического управления фильтр-прессами не в полной мере учитывают наличие имеющихся нестационарностей в параметрах питающей пульпы и требуют дальнейшего совершенствования.
Цель работы - научное обоснование и разработка системы управления фильтр-прессом, обеспечивающей ведение процесса фильтрования при наилучших режимных настройках, в соответствие с критерием оптимальности.
Идея работы - с целью определения наилучших режимных настроек и повышения эффективности процесса разделения пульп, в системе автоматического управления необходимо использовать предиктивный регулятор, включающий в себя математическую модель процессов обезвоживания и блок оптимизации с алгоритмом работы, основанным на использовании искусственной иммунной сети.
Основные задачи исследований:
1. Научно-технический анализ использования промышленных фильтров на металлургических предприятиях и существующих систем автоматического управления;
2. Научно-технический анализ известных способов оценки характеристик питающей пульпы и их влияния на кинетику процессов обезвоживания в фильтр-прессе;
3. Экспериментальные исследования воздухопроницаемости твёрдой фазы поступающей на фильтрование в составе пульпы;
4. Экспериментальные исследования фильтруемости медно-никелевой пульпы на пилотном фильтр-прессе Outotec Larox PF-0,1;
5. Разработка математической модели обезвоживания концентратов на фильтр-прессе и идентификация её параметров по экспериментальным данным;
6. Разработка алгоритма для осуществления высокоэффективного параллельного поиска оптимума функций, имеющих не единственное решение на основе использования искусственной иммунной сети;
7. Синтез системы автоматического управления фильтр-прессом, которая состоит из блока оптимизации с иммунным алгоритмом работы и прогнозирующей модели процесса обезвоживания.
Методы исследований. Принятые в работе научные положения базируются на современных представлениях о закономерностях процессов, протекающих в гидрометаллургических аппаратах непрерывного и периодического действия. При выводе основных зависимостей применены положения системного подхода к исследованию технологических процессов, а также методы математического и физического моделирования. Анализ влияния параметров на показатели процесса и эффективность работы оборудования осуществлялся с применением стандартного и специального программного обеспечения. В экспериментальной части работы использовались методы организации исследований и обработки экспериментальных данных, методы аналитического контроля и статистического анализа.
Научная новизна результатов диссертационного исследования заключается в следующем:
1. Установлена зависимость, позволяющая по результатам измерений воздушной проницаемости твёрдой фазы поступающей на фильтрование в составе пульпы оценить удельное сопротивление осадка;
2. Синтезирована система автоматического управления фильтр-прессом. В систему включён предиктивный регулятор, включающий блок прогнозирования, рассчитывающий на основе модели объекта выходные параметры, и блок оптимизации, выбирающий наилучшие режимные настройки фильтра в соответствии с критерием оптимальности, что позволяет повысить качество управления.
Основные защищаемые положения:
аа 1. С целью получения оперативных данных об удельном сопротивлении осадка - параметре, используемом в математических моделях процесса фильтрования, следует использовать данные о воздушной проницаемости твёрдой фазы, поступающей на фильтрование в составе пульпы;
2. Для поиска оптимальных режимных настроек процесса обезвоживания на фильтр-прессе целесообразно использовать систему автоматического управления, имеющей в своём составе предиктивный регулятор, который состоит из блока прогнозирования, рассчитывающего по модели объекта выходные параметры и блока оптимизации, выбирающий наилучшие настройки фильтр-пресса в соответствии с критерием оптимальности в области планирования.
Практическая значимость работы:
1. Оперативный способ определения удельного сопротивления осадка по данным воздушной проницаемости твёрдой фазы поступающей на фильтрование в составе пульпы обеспечивает получение более полной информации о фильтруемости технологических пульп металлургического производства.
2. Разработанный алгоритм предиктивного регулятора, основанный на использовании искусственной иммунной сети, представляет собой универсальное решение для поиска оптимальных условий протекания сложных технологических процессов, обеспечивая снижение себестоимости, увеличения производительности и т.д.
Достоверность научных результатов. Приводимые результаты, выводы и рекомендации обоснованы значительным объемом экспериментальных данных и их соответствием теории и практики обезвоживания металлургических предприятий, применением современных методов физико-химического анализа технологических продуктов, использованием адекватных математических моделей и статистических методов обработки данных с применением компьютерных технологий, а также проверкой полученных результатов на укрупненной пилотной установке.
Апробация работы.
Содержание и основные положения диссертации докладывались и обсуждались на 4-х международных научных специализированных конференциях: в Краковской горной академии (Польша, г. Краков) в 2009 г., в Лаппеенрантском технологическом университете (Финляндия, г. Лаппеенранта) в 2010 г., на XXV международном конгрессе по обогащению полезных ископаемых (Австралия, г. Брисбан) в 2010 г., в Технологическом Университете г. Оулу (Финляндия, г. Оулу) в 2011 г, на 4-х научных конференциях студентов и молодых ученых в СПГГИ (ТУ) им. Г. В. Плеханова в 2009-2012 г.г.; научных семинарах кафедры АТПП СПГГИ (ТУ) им. Г. В. Плеханова 2009-2012 г.г.; на научно-технических советах по работе с аспирантами СПГГИ (ТУ) им. Г. В. Плеханова 2009-2012 г.г.
ичный вклад автора.
Автор самостоятельно выполнил:
1. Постановку задач и разработку общей методики исследований;
2. Анализ современных методов обезвоживания на металлургических предприятиях и существующих систем управления фильтр-прессами;
3. Лабораторные экспериментальные исследования по определению удельной площади поверхности на Блэйн-метре и фильтруемости технологических пульп на нутч-фильтре.
4. Лабораторные экспериментальные исследования по фильтрованию образцов медно-никелевой пульпы с комбината Печенганикель ОАО Кольской ГМК на пилотном фильтр-прессе Outotec Larox Pf-0,1;
5. Разработку математической модели обезвоживания концентратов на фильтр-прессе и идентификацию её параметров по экспериментальным данным;
6. Разработку алгоритма для осуществления высокоэффективного параллельного поиска оптимума функций, имеющих не единственное решение на основе использования искусственной иммунной сети;
7. Синтез системы автоматического управления фильтр-прессом, включающую блок оптимизации с иммунным алгоритмом работы и прогнозирующую модель процесса обезвоживания.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 научных работ, из них 2 в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России, 1 патент на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, библиографического списка и приложений. Содержит 120 страниц машинописного текста, 49 рисунков, 16 таблиц, список литературы из 110 наименований, приложений - 3.
Автор выражает благодарность научным руководителям д.т.н., проф. Белоглазову И.Н. и адоц., к.т.н. Фирсову А. Ю. за помощь и поддержку, оказанную при работе над диссертацией.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
В первой главе представлена теоретическая информация о фильтровании технологических пульп медно-никелевого производства. Рассмотрены основные характеристики пульпы, влияющие на процесс фильтрования и возможные способы их определения. Приведено описание конструкции и принципа действия фильтр-пресса, а также рассмотрены особенности применения данного типа фильтров в металлургической промышленности. Представлено описание и выявленные недостатки существующих систем автоматического управления фильтр-прессами. Приведена общая технологическая схема производства комбината ОАО ГМК Печенганикель и технологическая схема цеха обжига.
Вторая глава посвящена разработке математической модели процессов обезвоживания технологических пульп в фильтр-прессе. Рассчитана и проверена адекватность разработанной математической экспериментальным данным, полученным с пилотного фильтр-пресса Outotec Larox PF-0,1.
В третьей главе описаны экспериментальные исследования, выполненные в лабораторном масштабе, целью которых было установление зависимости, позволяющей по результатам измерений воздушной проницаемости твёрдой фазы поступающей на фильтрование в составе пульпы оценить удельное сопротивление осадка;
В четвёртой главе синтезируется система автоматического управления фильтр-прессом. Система имеет в своём составе предиктивный регулятор, который состоит из блока прогнозирования, рассчитывающего по модели объекта выходные параметры и блока оптимизации, выбирающий наилучшие настройки фильтр-пресса в соответствии с критерием оптимальности в области планирования.
Заключениеотражает обобщенные выводы по результатам исследования в соответствии с поставленной целью и решёнными задачами.
ОСНОВНЫЕ ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ
1. С целью получения оперативных данных об удельном сопротивлении осадка - параметре, используемом в математических моделях процесса фильтрования, следует использовать данные о воздушной проницаемости твёрдой фазы, поступающей на фильтрование в составе пульпы;
Рассмотрим процесс обезвоживания медно-никелевого концентрата на фильтр-прессе, включающий в себя две последовательно реализуемых стадии - фильтрования под давлением и диафрагменное прессование. Математические модели процессов могут быть представлены в следующем виде:
Промоделируем изменение объёма фильтрата для разных стадий обезвоживания в Matlab с учётом характеристик тестируемой пульпы, настроек фильтра и рассчитанных параметров, входящих в модель (рис.1).
Рис.1. Образование фильтрата в зависимости от настройки фильтр-пресса
В некоторых случаях проведение стандартных тестов на фильтруемость пульпы представляет собой сложную задачу, так как для её решения необходима транспортировка и последующая наладка лабораторного пилотного фильтра на металлургическом предприятии, либо отправки достаточно большого количества образцов пульпы в лабораторию.
Одним из направлений в решении задачи интенсификации тестирования является применение новых методов определения характеристик и параметров процесса. Перспективным является метод определения удельного сопротивления осадка, основного влияющего фактора на кинетику фильтрования, по данным воздушной проницаемости твёрдой фазы идущей на фильтрование в составе пульпы.
Для определения зависимости удельного сопротивления осадка от воздушной проницаемости твёрдой фазы (рис. 2) использовались различные материалы: угольный порошок, карбонат кальция, апатитовый концентрат, магнетит, цинковый концентрат, медный концентрат, пиритный концентрат.
Наиболее простой реализацией установки для определения воздушной проницаемости является лабораторный Блэйн-метр. Важными преимуществами данного метода тестирования являются высокая скорость получения результатов и использование малого количества материала для тестирования (менее 100 г.). Блэйн-метр измеряет т.н. Блэйн-индекс - удельную поверхность в м2кг-1.
Для определения удельного сопротивления осадка использовался стандартный метод фильтрования на нутч-фильтре.
Рис.2. Зависимость удельного сопротивления осадка от удельной поверхности (индекс Блэйна): 1 - пиритный к-т, 2 - апатитовый к-т, 3 - Zn к-т, 4 - Cu к-т, 5 - магнетит, 6 - угольный порошок, 7 - карбонат кальция.
Анализируя графики на рис.2 можно сделать вывод о том, что для тестируемых материалов прослеживается квадратичная связь между удельным сопротивлением осадка и удельной поверхностью материала, определённой методом воздушной проницаемости. Вид этой зависимости может быть представлен в виде:
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Основные результаты выполненных исследований:
1. Произведён анализ научно-технической литературы по тематике исследований. Выявлены недостатки существующих систем автоматического управления фильтр-прессами и способы повышения качества управления.
2. Разработана математическая модель процесса обезвоживания медно-никелевого концентрата на пилотном фильтр-прессе и произведена идентификация её параметров по экспериментальным данным.
3. Установлена зависимость, позволяющая по результатам измерений воздушной проницаемости твёрдой фазы поступающей на фильтрование в составе пульпы оценить удельное сопротивление осадка;
4. Разработан алгоритм предиктивного регулятора, который включён в систему автоматического управления фильтр-прессом. Регулятор включает блок прогнозирования, рассчитывающий на основе модели объекта выходные параметры, и блок оптимизации, выбирающий наилучшие режимные настройки фильтра в соответствии с критерием оптимальности, что позволяет повысить качество управления.
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:
1. Сафонов Д.Н. Моделирование и автоматизация процесса фильтрации металлургических пульп на пресс-фильтрах // Записки Горного института, Т. 182, 2009. С. 165-168.
2. Сафонов Д.Н. Моделирование процессов фильтрования металлургических пульп / Д.Н. Сафонов, А. Краславски // Сборник научных трудов семинара Инновационные технологии, моделирование и автоматизация технологических процессов, Т. 1, Вып. 1, СПб, 2010. С. 21-23.
3. Сафонов Д.Н. Решения компании Larox для автоматизации процессов фильтрования технологических пульп / И.Н. Белоглазов, Д.Н. Сафонов // Сборник научных трудов семинара Инновационные технологии, моделирование и автоматизация технологических процессов, Т. 1. Вып. 1. СПб., 2010. С. 24-26.
4. Сафонов Д.Н. Применение метода определения воздухопроницаемости для оценки фильтруемости различных суспензий / Д.Н. Сафонов, А. Хаккинен, А. Краславски, И.Н. Белоглазов, Д. Палмер, Э. Бъярне // Записки Горного института, Т. 192, 2011. С. 228-234.
5. Safonov D. Trends in test filtration to respond decreasing sample size / J. Palmer, D. Safonov, A. Hakkinen, B. Ekberg, A. Kraslawski // Conference Proceedings XXV International Mineral Processing Congress (IMPC 2010), Brisbane (Queensland, Australia), issue 2010. P.1085-1098.
6. Safonov D. Trends in test filtration to respond decreasing sample size of iron concentrates / J. Palmer, D. Safonov, A. Hakkinen, B. Ekberg, A. Kraslawski // CIS Iron and Steel Review (приложение к журналу Чёрные металлы), №1, СПб., 2010. С.4-7.
7. Safonov D. Simulation of iron concentrate suspension filtration process / I. Beloglazov, D. Safonov, A. Mikheev, M. Perfilova // CIS Iron and Steel Review (приложение к журналу Чёрные металлы), №1, СПб., 2009. С.4-6.
8. Safonov D. Creation of the automated control system of the metallurgical suspension filtration process based on artificial immune network // Conference Proceedings of the Graduate School in Chemical Engineering, Year book 2010, Lappeenranta (Finland), 2010, P.285-287.
9. Safonov D. Creation of the automated control system of the metallurgical suspension filtration process based on artificial immune network // Conference Proceedings of the Graduate School in Chemical Engineering. Year book 2011. Oulu (Finland), 2011. P.287-289.
10. Патент №2341320 Устройство для фильтрации от 20.12.2008. Авторы: И.Н. Белоглазов, М.И. Ильин, Б.Н. Куценко, Д.Н. Сафонов, И.М. Якунин.
Авторефераты по темам >>
Разные специальности - [часть 1] [часть 2]