МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ВЛИЯНИЯ ВНЕШНЕГО РЕТУРА НА ПРОЦЕСС ГРАНУЛИРОВАНИЯ АММОФОСА В БАРАБАННОМ ГРАНУЛЯТОРЕ-СУШИЛКЕ

Математическая модель влияния внешнего ретура на процесс гранулирования аммофоса в барабанном грануляторе-сушилке

1 112 Д.В. Криушин , В.А. Кривоносов , О.Ф. Козырь , В.В. Соколов

1 Старооскольский технологический институт им. А.А. Угарова (филиал) «Национальный исследовательский технологический институт «МИСиС»» 2Акционерное общество «Научно-исследовательский институт по удобрениям и инсектофунгицидам имени профессора Я.В. Самойлова» (АО «НИУИФ»), Череповец,

Вологодская область

Аннотация: Рассмотрен процесс гранулирования аммофоса в барабанном грануляторе-сушилке (БГС). Разработана динамическая математическая модель формирования эквивалентного диаметра гранул аммофоса в зависимости от расхода и гранулометрического состава внешнего ретура. Проведено сравнение результатов моделирования с фактическими данными нормальной эксплуатации. Модель предназначена для построения системы стабилизации режима гранулирования. Ключевые слова: аммофос, ретур, грануляция, гранулометрический состав, барабанный гранулятор-сушилка, моделирование, математическая модель.

Конкуренция на рынке гранулированных минеральных удобрений предъявляет высокие требования к физико-химическим характеристикам готовой продукции. Химический состав удобрений зависит в основном от качества и соотношения исходных компонентов. При стабильном химическом составе главенствующую роль в обеспечении заданных физических характеристик продукции (влажность, прочность, слеживаемость) играет процесс гранулирования и сушки минеральных удобрений.

В данной статье рассматривается технологический процесс производства аммофоса методом нейтрализация экстракционной фосфорной кислоты (ЭФК) аммиаком с последующей грануляцией и сушкой продукта в аппарате БГС (барабанный гранулятор-сушилка). Реакция ЭФК с аммиаком протекает в скоростном аммонизаторе-испарителе (САИ) с получением аммофосной пульпы. Аммофосная пульпа через распыляющую форсунку подается на гранулирование и сушку в БГС, куда также поступает ретур и газообразный теплоноситель из топки. Процесс гранулирования заключается

в том, что в зоне загрузки создается завеса из ретура, на которую напыляется аммофосная пульпа. Капли пульпы контактируют с гранулами ретура в завесе. При этом мелкие частицы ретура укрупняются, окатываются при вращении барабана и подсушиваются в присутствии теплоносителя [1-4]. Ретур состоит из двух потоков гранул аммофоса:

- внутренний ретур - гранулы аммофоса, возвращаемые в зону загрузки обратным шнеком от подпорного кольца, расположенного в центре БГС;

- внешний ретур - мелкие и измельченные в дробилке гранулы аммофоса, возвращаемые в зону загрузки БГС после классификации по размеру на двухситном грохоте выходящего из БГС потока готового продукта.

При постоянном составе и расходе пульпы процесс формирования гранул в БГС зависит от следующих факторов:

- степень диспергации капель пульпы в факеле на выходе из форсунки;

- вязкость пульпы;

- разряжение в аппарате БГС;

- температура и расход теплоносителя из топки;

- расход и гранулометрический состав внешнего ретура.

Подбор формы факела пульпы и степени диспергации капель осуществляется на практике опытным путем. Два эти параметра взаимосвязаны и оказывают значительное влияние на сроки пробега насадки БГС между чистками. Поэтому этот фактор не применяют при оперативном управлении грануляцией. Возможности изменения температуры и расхода теплоносителя также весьма ограничены. Эти параметры должны соответствовать расходу и влажности пульпы в зоне загрузки. Так снижение температуры и расхода теплоносителя может привести к нарушению регламентных показателей прочности, влажности и слеживаемости

продукции. Рост температуры повышает удельный расход природного газа, увеличивает образование и вынос мелких гранул аммофоса с газовым потоком из БГС в систему абсорбции, ведет к росту потерь аммиака гранулами аммофоса. При увеличении разрежения растет эквивалентный диаметр гранул и падает содержание товарной фракции. Также, увеличивается скорость движения частиц внутри БГС. Это может приводить к тому, что будет происходить унос большого количества влажных частиц от зоны подачи теплоносителя. Что, в свою очередь, приведет к увеличению влажности и слеживаемости готового продукта [5, 6]. Кроме того, на процесс гранулообразования оказывает влияние вязкость пульпы. При прочих равных условиях, увеличение значения вязкости пульпы приводит к росту эквивалентного диаметра гранул готового продукта [7-9] и падению содержания товарной фракции, а также увеличению количества внешнего ретура.

Проведенные исследования [5-9] показали, что одним из основных факторов, вызывающим нарушение оптимального режима грануляции, являются колебания расхода и гранулометрического состава внешнего ретура. Такие колебания приводят к существенным изменениям производительности БГС, диаметра гранул аммофоса на его выходе, нарушениям регламентных требований по их влажности и прочности.

Для эффективного управления [10] процессом грануляции необходима математическая модель зависимости среднего эквивалентного диаметра гранул аммофоса на выходе БГС от расхода и эквивалентного диаметра гранул внешнего ретура. Учитывая инерционность БГС, такая модель должна отражать как статические, так и динамические характеристики объекта. При построении модели приняты следующие упрощающие предположения:

- циркуляция внутреннего ретура во входной части барабана БГС от

подпорного кольца в зону загрузки постоянна и составляет С^нУ1 = 300 т/час;

- в установившемся режиме гранулометрический состав внутреннего ретура совпадает с гранулометрическим составом аммофоса на выходе БГС;

- количество пульпы аммофоса, которое осаждается в БГС на каждой грануле ретура, прямо пропорционально площади поверхности этой гранулы;

- все гранулы ретура имеют форму, близкую к сферической. Входами математической модели процесса гранулирования пульпы в

БГС являются следующие параметры:

- ^пул, [м3/час] - расход пульпы в БГС, измеряется непрерывно;

- упул, [кг/м3] - плотность пульпы контролируется в результате лабораторного экспресс-анализа 1 раз в час;

- С™ [т/час] - расход внешнего ретура, измеряется непрерывно;

- гранулометрический состав внешнего ретура, измеряется гранулометром раз в 5 минут. На основе показаний гранулометра вычисляется средний эквивалентный диаметр гранул внешнего ретура -

Л внеш, [мм].

Выходом модели является [1, 2] средний эквивалентный диаметр Лвых [мм] гранул аммофоса на выходе из барабана БГС, который измеряется 1 раз в час по результатам рассеивания гранул на ситах с разными размерами ячеек.

Структура модели формирования среднего эквивалентного диаметра гранул аммофоса в БГС приведена на рисунке 1.

Модель включает нелинейное статическое звено (НСЗ), которое позволяет рассчитать установившееся значение Лвыхуст. среднего

эквивалентного диаметра гранул на выходе БГС после завершения переходных процессов при постоянных значениях всех входных сигналов НСЗ, а также динамические звенья, моделирующие процесс перемешивания и перемещения гранул по пространству барабана БГС.

Рис. 1. - Структура модели гранулирования аммофоса в аппарате БГС ^внут - средний эквивалентный диаметр гранул внутреннего ретура;

^внеш, Срет - средний эквивалентный диаметр и весовой расход внешнего

ретура;

^пул, Упул, юпул - объемный расход, плотность и влажность пульпы;

^выхуст. и dвЬIX - соответственно, установившееся (расчетная величина), и

текущее значения среднего эквивалентного диаметра гранул на выходе Параметры потока пульпы (^пул, упул и юпул) позволяют оценить

весовой расход Оам [т/час] аммофоса, который сформируется из пульпы, поступающей в БГС,

О = ^

^ ЯЛ/Г х т

У

пул

ам пул 1000

1 --

ю

пул

100

Средний эквивалентный диаметр dрет гранул суммарного потока Орет = ореТ:ш + Орв<нут, включающего как внутренний Орну1, так и внешний

Орвентеш ретур, равен

d1

рет

d . О внеш + d  О внут

"внеш ^рет ^"внут ^рет

о внеш + о внут Орет Орет

Заметим, что ^внут является промежуточной переменной, рассчитываемой по модели. В качестве исходного значения ^внут можно

принять результат последнего измерения dвых.

Определим объём К1рет одной гранулы ретура с учетом её сферической формы, а также количество Прет гранул, поступающих за 1 час в БГС с потоком Грет ретура:

1 „ , ч з. Грет 6' Грет

^1.рет _ , 'п' (dрет) ; прет т/ з ^

6 ^1.рет • Там п • (dрет) • Там

з

где уам ~ 1,8 т/м - удельный вес аммофоса.

Тогда на одну гранулу ретура за время однократного прохождения через зону загрузки БГС в среднем напыляется дГ1рет аммофоса, что

увеличивает объем гранулы на Д^.рет:

3 3

г _ Гам _ п • Гам •

^г1.рет _ _ 6 г ' 1рет _ _ 6 г

прет 6 • грет У ам 6 • грет

Новый средний объем гранулы К1нов и её новый диаметр dвых.уст. (см. рис. 1) после прохождения зоны загрузки будут соответственно равны

Г

1 3

V _ V +ДК _-• п • (dрет )3 1.нов 1.рет 1.рет 6 р

ам

1+

^ Грет)

; dвых.уст. dрет • 3

Гам + Грет

Грет

На участке БГС от зоны загрузки до подпорного кольца наблюдается интенсивное перемешивание и циркуляция гранул за счет внутреннего ретура. В качестве модели динамики этого участка будем использовать ячеечную модель, включающую три одинаковых последовательных ячейки с идеальным перемешиванием:

1

Ж (Б) _

(Т • Б +1)3

где постоянная времени Т =

О

уч.1

; Оуч1 ~ 45 т - вес аммофоса,

3 '

находящегося в барабане БГС на рассматриваемом участке. Для средних параметров рабочего режима БГС постоянная времени Т = 1,87 мин.

На участке барабана от подпорного кольца до выхода гранулы аммофоса перемещаются, вытесняя старое содержимое новым. Модель перемещения представлена звеном запаздывания на время т, где

О

т =

уч.2

Оам + О

внеш

, О.

уч.2

15 т - вес аммофоса в БГС после подпорного кольца.

Для номинального режима т = 4,9 мин.

Проведено моделирование процесса формирования гранул на выходе аппарата БГС. Сравнение полученных результатов моделирования с фактическими данными представлены на рис. 2.

-Расход внешнего ретура Рис. 2. - Сравнение результатов моделирования с фактическими данными ^вых и ^выхмодель - соответственно фактический и полученный в результате

моделирования эквивалентный диаметр гранул на выходе БГС Из представленного графика видно, что в целом разработанная модель достаточно точно описывает процесс гранулообразования аммофоса в БГС.

Предложенная математическая модель предназначена, в первую очередь, для использования в системе стабилизации режима грануляции в БГС, обеспечения необходимого гранулометрического состава готовой продукции путем изменения расхода потока внешнего ретура и степени дробления гранул аммофоса, возвращаемых в БГС с внешним ретуром.

Литература

1. Бродский А.А., Эвенчик С. Д. Технология фосфорных и комплексных удобрений / Андреев М.В., Бродский А.А., Забелешинский Ю.А., Зорина Е.А., Кленицкий А.И., Кочетков В.Н., Родин В.И., Эвенчик С.Д.; под ред. Эвенчика С.Д., Бродского А.А. М.: Химия, 1987. 464 с.

2. Классен П.В., Гришаев И.Г. Основы техники гранулирования (Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии). М.: Химия, 1982. 272 с.

3. Борисов Г.С., Брыков В.П., Дытнерский Ю.И. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию / Борисов Г.С., Брыков В.П., Дытнерский Ю.И., Каган С.З., Ковалев Ю.Н., Кочаров Р.Г., Кочергин Н.В.; под ред. Дытнерского Ю.И. 2-е изд., перераб. и дополн. изд. М.: Химия, 1991. 496 с.

4. Кочетков В.Н. Гранулирование минеральных удобрений. М.: Химия, 1975. 224 с.

5. Дудка С.В., Тошинский В.И. Исследование процесса грануляции и сушки в технологии удобрений марки «Суперагро N:P 10:40» // ВосточноЕвропейский журнал передовых технологий (ISSN 1729-3774). 2012. Том 4, №6(58). С. 7-10.

6. Грибков А.Б., Соколов В.В., Андриянова Е.А., Петропавловский И.А. Влияние условий процесса гранулирования на физические свойства фосфатов аммония // Современные тенденции в производстве и применении фосфорсодержащих удобрений и неорганических кислот: Материалы

Международной научно-практической конференции 26 мая 2015г. / Сост. В.И. Суходолова. М.: 2015. С. 81-86.

7. Walker, G.M., 2000. Drum granulation of NPK fertilizers. Powder Technology, 107: pp. 282-288.

8. Walker, G.M., 2001. Prediction of Fertilizer Granulation: Effect of Binder Viscosity on Random Coalescence Model. Industrial & Engineering Chemistry Research, Vol. 40(№ 9): pp. 2128-2133.

9. Adetayo, A.A., J.D. Litster and I.T. Cameron, 1995. Cameron Steady State modelling and simulation of a fertilizer granulation circuit. Computers & Chemical Engineering, Vol. 19(№ 4): pp. 383-393.

10. Кривоносов В. А., Бабенков В. А. Система управления технологическими параметрами процесса производства экстракционной фосфорной кислоты // Информационные системы и технологии. 2015. № 2 (88). С. 73-80.

References

1. Andreev M.V., Brodskij A.A., Zabeleshinskij Ju.A., Zorina E.A., Klenickij A.I., Kochetkov V.N., Rodin V.I., Jevenchik S.D.; pod red. Jevenchika S.D., Brodskogo A. A. Tehnologija fosfornyh i kompleksnyh udobrenij [Technology of phosphoric and complex fertilizers] M.: Himija, 1987. 464 p.

2. Klassen P.V., Grishaev I.G. Osnovy tehniki granulirovanija (Processy i apparaty himicheskoj i neftehimicheskoj tehnologii) [Basics of granulation technology (Processes and apparatuses of chemical and petrochemical technology)]. M.: Himija, 1982. 272 p.

3. Borisov G.S., Brykov V.P., Dytnerskiy Yu.I., Kagan S.Z., Kovalev Yu.N., Kocharov R.G., Kochergin N.V.; Osnovnye processy i apparaty himicheskoj tehnologii: Posobie po proektirovaniju [The main processes and apparatuses of chemical technology: Design Manual] pod red. Dytnerskogo Ju.I. 2-e izd., pererab. i dopoln. izd. M.: Himija, 1991. 496 p.

4. Kochetkov V.N. Granulirovanie mineral'nyh udobrenij [Granulation of mineral fertilizers]. M.: Himija, 1975. 224 p.

5. Dudka S.V., Toshinskij V.I. Issledovanie processa granuljacii i sushki v tehnologii udobrenij marki «Superagro N:P 10:40» Vostochno-Evropejskij zhurnal peredovyh tehnologij (ISSN 1729-3774). 2012. Tom 4, №6(58). pp. 7-10.

6. Gribkov A.B., Sokolov V.V., Andriyanova E.A., Petropavlovskiy I.A. Vliyanie usloviy protsessa granulirovaniya na fizicheskie svoystva fosfatov ammoniya. Sovremennye tendentsii v proizvodstve i primenenii fosforsoderzhashchikh udobreniy i neorganicheskikh kislot [tekst]: Materialy Mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferentsii 26 maya 2015g. Sost. V.I. Sukhodolova. M., 2015. pp. 81-86.

7. Walker, G.M., 2000. Drum granulation of NPK fertilizers. Powder Technology, 107: pp. 282-288.

8. Walker, G.M., 2001. Prediction of Fertilizer Granulation: Effect of Binder Viscosity on Random Coalescence Model. Industrial & Engineering Chemistry Research, Vol. 40(№ 9): pp. 2128-2133.

9. Adetayo, A.A., J.D. Litster and I.T. Cameron, 1995. Cameron Steady State modelling and simulation of a fertilizer granulation circuit. Computers & Chemical Engineering, Vol. 19(№ 4): pp. 383-393.

10. Krivonosov V.A., Babenkov V.A. Sistema upravlenija tehnologicheskimi parametrami processa proizvodstva jekstrakcionnoj fosfornoj kisloty. Informacionnye sistemy i tehnologii. 2015. № 2 (88). pp. 73-80.