Modeling, simulation and optimization of ceramics production processes
Authors: Αρβανιτίδης Αχιλλέας 
Published: September 2024

Η διαδικασία παραγωγής κεραμικών δομικών υλικών είναι εξαιρετικά ενεργοβόρα, και αποτελείται από διάφορα κρίσιμα στάδια, όπως η εξόρυξη πρώτων υλών, η ανάμιξη, η διαμόρφωση του σχήματος, η ξήρανση και η όπτηση. Κάθε ένα από αυτά τα στάδια απαιτεί αυστηρή διαχείριση της ενέργειας για να διασφαλιστεί η απόδοση της παραγωγής και η ποιότητα των προϊόντων. Η ξήρανση και η όπτηση, ειδικότερα, απαιτούν σημαντικές ποσότητες ενέργειας. Η διεργασία της ξήρανσης απαιτεί ένα ελεγχόμενο περιβάλλον για την απομάκρυνση της υγρασίας από τα νωπά υλικά, το οποίο συνήθως περιλαμβάνει τη χρήση θερμαινόμενου αέρα, που συνήθως παράγεται μέσω της καύσης ορυκτών καυσίμων, όπως το φυσικό αέριο. Το στάδιο αυτό είναι ζωτικής σημασίας για την αποφυγή ατελειών στη μικροδομή κατά την όπτηση, αλλά είναι επίσης ενεργοβόρο. Η όπτηση, το επόμενο σημαντικό στάδιο, περιλαμβάνει τη θέρμανση των αποξηραμένων υλικών σε εξαιρετικά υψηλές θερμοκρασίες για να πραγματοποιηθεί η πυροσυσσωμάτωση, μια διεργασία που σκληραίνει και προσδίδει την απαραίτητη ανθεκτικότητα και αντοχή στα κεραμικά υλικά. Αυτό το στάδιο είναι ιδιαίτερα απαιτητικό σε ενέργεια, καθώς οι κλίβανοι πρέπει να διατηρούν σταθερά υψηλές θερμοκρασίες, που υπερβαίνουν τους 900°C, για μεγάλα χρονικά διαστήματα. Η απαιτούμενη ενέργεια προέρχεται συνήθως από την καύση φυσικού αερίου. Το στάδιο αυτό είναι υπεύθυνο για την πλειονότητα της κατανάλωσης θερμικής ενέργειας στην παραγωγή κεραμικών, επηρεάζοντας σημαντικά το συνολικό ενεργειακό αποτύπωμα της παραγωγικής διαδικασίας. Ως εκ τούτου, η βελτιστοποίηση της χρήσης ενέργειας κατά την ξήρανση και την όπτηση είναι απαραίτητη για τη βελτίωση της αποδοτικότητας και της βιωσιμότητας της παραγωγής κεραμικών δομικών υλικών. Η παρούσα διατριβή εξετάζει την ανάπτυξη μαθηματικών μοντέλων που βασίζονται σε ισοζύγια μάζας και ενέργειας για την αποτύπωση των φυσικών φαινομένων μεταφοράς θερμότητας και μάζας κατά τη διάρκεια της ξήρανσης και της όπτησης των κεραμικών υλικών. Οι προτεινόμενες μεθοδολογίες μοντελοποίησης εστιάζουν επίσης σε φυσικές πτυχές των διεργασιών που μελετώνται και οι οποίες δεν έχουν λάβει αρκετή προσοχή στη βιβλιογραφία. Συγκεκριμένα, η διατριβή επικεντρώνεται στη συρρίκνωση που συμβαίνει εξαιτίας της απομάκρυνσης της υγρασίας κατά το στάδιο της ξήρανσης και στην πυροσυσσωμάτωση στερεάς κατάστασης κατά τη διεργασία της όπτησης. Τα φαινόμενα αυτά είναι ζωτικής σημασίας για την κατανόηση της συμπεριφοράς των κεραμικών υλικών υπό θερμική επεξεργασία. Τα μοντέλα αποσκοπούν στην πιο ολοκληρωμένη κατανόηση αυτών των φαινομένων καθώς και στην ποσοτικοποίηση της συνολική απόδοσης των διεργασιών και της ποιότητας των τελικών προϊόντων. Με διεξαγωγή προσομοιώσεων της μεταφοράς θερμότητας και μάζας, ενώ ταυτόχρονα λαμβάνονται υπόψιν οι αλλαγές που συμβαίνουν στη μικροδομή των υλικών, η παρούσα διατριβή επιδιώκει να βελτιώσει την ακρίβεια της πρόβλεψης των μοντέλων και να προσφέρει γνώσεις για τη βελτιστοποίηση αυτών των ενεργοβόρων σταδίων χωρίς να διακυβεύεται η ποιότητα του προϊόντος. Η διατριβή αυτή όχι μόνο προάγει ένα θεωρητικό πλαίσιο, αλλά προτείνει και πρακτικές για τη βελτίωση της αποδοτικότητας και της βιωσιμότητας των διεργασιών κατασκευής κεραμικών.Πιο συγκεκριμένα, αρχικά εξετάζεται η ξήρανση μιας κεραμικής πλάκας, λαμβάνοντας υπόψη τη συρρίκνωση, η οποία συνεπάγεται τη μετακίνηση της στερεής φάσης του κεραμικού υλικού προς το εσωτερικό του καθώς η υγρασία μετακινείται προς την επιφάνεια ξήρανσης. Η συρρίκνωση περιλαμβάνεται στο μοντέλο ως ένα αμφίδρομα συζευγμένο φαινόμενο σε σχέση με τη μεταφορά θερμότητας και μάζας. Το αριθμητικό μοντέλο είναι σε θέση να προβλέψει τις αλλαγές στο τοπικό πορώδες του κεραμικού σώματος και στις συγκεντρώσεις στερεών φάσεων, ως αποτέλεσμα της συρρίκνωσης που προκαλείται από την ξήρανση, παρέχοντας σημαντικές γνώσεις σχετικά με τη διεργασία ξήρανσης των κεραμικών υλικών. Το προτεινόμενο μαθηματικό πλαίσιο χρησιμοποιείται για τη διεξαγωγή παραμετρικής ανάλυσης που εξετάζει τις επιδράσεις διαφορετικών σεναρίων συρρίκνωσης στους ρυθμούς μεταφοράς θερμότητας και μάζας, καθώς και στη δομή και τις φυσικές ιδιότητες του υλικού, επιδεικνύοντας με αυτό τον τρόπο την επίδραση της συρρίκνωσης στην δυναμική της ξήρανσης. Εξετάζεται επίσης μια μελέτη περίπτωσης ενός ρεαλιστικού σεναρίου συρρίκνωσης για να καταδειχθεί το πλήρες φάσμα των προβλεπτικών δυνατοτήτων του μοντέλου.Στη συνέχεια, η διεργασία ξήρανσης μοντελοποιείται σε βιομηχανική κλίμακα με την ανάπτυξη ενός αριθμητικού πλαισίου για ένα υπάρχον ξηραντήριο κεραμικών υλικών τύπου σήραγγας. Το προτεινόμενο μοντέλο αποτυπώνει τα πολύπλοκα φαινόμενα μεταφοράς θερμότητας και μάζας στο εσωτερικό του ξηραντηρίου, προβλέποντας τις κατανομές σύστασης της αέριας φάσης, της θερμοκρασίας και της σχετικής υγρασίας, καθώς και τις κατανομές της θερμοκρασίας και της περιεκτικότητας των κεραμικών σε υγρασία κατά μήκος του ξηραντηρίου. Το μοντέλο αυτό χρησιμοποιείται για τη συστηματική εύρεση βέλτιστων πολιτικών λειτουργίας για το ξηραντήριο τύπου σήραγγας, εστιάζοντας κυρίως στον έλεγχο του σταδίου συρρίκνωσης, κατά το οποίο ο κίνδυνος θραύσης του προϊόντος είναι υψηλότερος, με παράλληλη ελαχιστοποίηση του ενεργειακού κόστους. Αρχικά, ελαχιστοποιείται η κατανάλωση ενέργειας κατά τη λειτουργία του ξηραντηρίου σε σταθερή κατάσταση, ενώ παράλληλα διασφαλίζεται η ποιότητα του προϊόντος. Στη συνέχεια, βελτιστοποιείται η λειτουργία σε δυναμική κατάσταση, διερευνώντας δύο μελέτες περίπτωσης. Η πρώτη περίπτωση εξετάζει την αύξηση της παραγωγικότητας του ξηραντηρίου, ενώ η δεύτερη περίπτωση διερευνά τη συνύπαρξη δύο κεραμικών από δύο διαφορετικές πρώτες ύλες στο ξηραντήριο. Η βέλτιστη λειτουργία εξασφαλίζει ότι η συρρίκνωση του σώματος είναι καλά ελεγμένη καθ' όλη τη διάρκεια της διεργασίας της ξήρανσης με την ελάχιστη δυνατή κατανάλωση καυσίμου.Η τρίτη θεματική ενότητα της παρούσας διατριβής επικεντρώνεται στη διεργασία όπτησης των κεραμικών υλικών. Η ανάλυση περιλαμβάνει την ανάπτυξη ενός αριθμητικού μοντέλου για την αποτύπωση των φαινομένων μεταφοράς θερμότητας μεταξύ της αέριας και της στερεάς φάσης στο εσωτερικό ενός κλιβάνου τύπου σήραγγας. Ο αντίκτυπος των συνθηκών λειτουργίας του κλιβάνου στην ποιότητα των κεραμικών προϊόντων ποσοτικοποιείται με τη χρήση ενός μοντέλου πυροσυσσωμάτωσης που βασίζεται σε πειραματικές μετρήσεις. Στη συνέχεια, αυτό το μαθηματικό μοντέλο χρησιμοποιείται σε μια μελέτη βελτιστοποίησης με στόχο την ελαχιστοποίηση της κατανάλωσης φυσικού αερίου με παράλληλη μεγιστοποίηση των ρυθμών παραγωγής του κλιβάνου και την εξασφάλιση ενός ελάχιστου ορίου πυροσυσσωμάτωσης για τα ψημένα κεραμικά. Για την επίλυση του περιγραφόμενου προβλήματος βελτιστοποίησης πολλαπλών στόχων, χρησιμοποιείται η μέθοδος ε-Constraint για την επίτευξη ενός συνόλου βέλτιστων λύσεων που έχουν την ίδια μαθηματική και φυσική αξία, με καμία από αυτές να υπερτερεί των υπολοίπων σε όλους τους τομείς. Τέλος, αυτές οι λύσεις συγκρίνονται σε μια ξεχωριστή μελέτη βελτιστοποίησης που επικεντρώνεται στην ελαχιστοποίηση της ειδικής κατανάλωσης ενέργειας, η οποία είναι ο λόγος των αντικειμενικών συναρτήσεων του προβλήματος βελτιστοποίησης δύο-στόχων. Στο τελευταίο μέρος της παρούσας διατριβής παρουσιάζεται μια προσέγγιση μαθηματικής βελτιστοποίησης για την εξαγωγή βέλτιστων θερμοκρασιακών σημάτων αναφοράς για τη ζώνη έψησης ενός βιομηχανικού κλιβάνου τύπου σήραγγας κεραμικών υπό ρύθμιση ανάδρασης, λαμβάνοντας υπόψη διαφορετικά φορτία παραγωγής. Για την ανάλυση αυτή, αναπτύσσεται ένα λεπτομερές μαθηματικό μοντέλο, υποθέτοντας ότι ο κλίβανος σήραγγας χωρίζεται σε μια σειρά ζωνών ελέγχου, καθεμία από τις οποίες είναι εξοπλισμένη με έναν καυστήρα φυσικού αερίου που ελέγχεται από έναν ρυθμιστή PID. Το μοντέλο βελτιστοποίησης ενσωματώνει τόσο το μοντέλο της φυσικής διεργασίας όσο και περιορισμούς που σχετίζονται με τη λειτουργία του κλιβάνου και την ποιότητα του τελικού προϊόντος, με στόχο την ελαχιστοποίηση της συνολικής κατανάλωσης καυσίμου στους καυστήρες. Στο πλαίσιο αυτό, προκύπτουν βέλτιστα σήματα αναφοράς για διάφορους ρυθμούς παραγωγής του κλιβάνου, διασφαλίζοντας την ποιότητα του προϊόντος με την ελάχιστη δυνατή κατανάλωση ενέργειας. Διεξάγεται μια μελέτη περίπτωσης για να καταδειχθούν τα οφέλη της συστηματικής προσαρμογής των θερμοκρασιακών σημάτων αναφοράς στις μεταβολές των ρυθμών παραγωγής.