Методология синтеза технологических линий для производства органоминеральных удобрений из торфа и бурых углей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.20.01, доктор наук Сорокин Константин Николаевич

• Сорокин Константин Николаевич
• доктор наук
• 2022

Оглавление диссертации доктор наук Сорокин Константин Николаевич

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 Состояние проблемы синтеза технологических линий по производству гуминовых удобрений из органического сырья - торфа и бурого угля. Цель и задачи исследования

1.1 Развитие рынка органической продукции и перспективы в потребности гуминовых удобрений

1.2 Анализ технологий и созданных на их основе разработок технологических линий по производству гуминовых удобрений из органического сырья-торфа, бурого угля, сапропеля и биогумуса

1.3 Технологии и технологические линии по переработке торфа, бурого угля, сапропеля и биогумуса

1.4 Теоретические проблемы совершенствования технологических процессов и оборудования по производству гуминовых удобрений

1.5 Основные направления совершенствования технологических процессов и технических средств при разработке и производству технологических

линий

1.6 Анализ и результаты практической работы технологических линий, по переработке органического сырья поставленных в регионы России и за рубеж в 2015 - 2018 гг и меры по их инновационному совершенствованию

1.7 Инновационные технические решения в разработках технологических линий для промышленного производства органических удобрений, востребованные в процессе их модернизации

1.8 Современные проблемы разработки и производства технологических линий для переработки органического сырья и их решения на основе модульного оборудования и цифровых технологий

1.9 Выводы по главе

1.10 Цель и задачи исследования

ГЛАВА 2 Теоретическое обоснование построения и функционирования модульных технологических линий по промышленной переработке органического сырья из торфа, бурых углей

2.1 Математическая модель для выбора параметров режимов работы технологической линии при производстве комплексных удобрений

2.2 Математическое описание пооперационной последовательности действий при производстве комплексных удобрений

2.3 Апробация системы уравнений, описывающая работу технологической линии по производству комплексных удобрений

2.4 Математическое описание гидромеханических процессов в гидромеханическом модуле, система уравнений движения потока воды и ее взаимодействие с твердыми частицами органического сырья в гидромеханическом очистителе и реакторе

2.5 Актуальность использования модульного оборудования с наличием искусственного интеллекта при синтезе новых технологических линий

2.6 Теоретические аспекты и методика расчета К(коэффициента) уровня искусственного интеллекта модульного оборудования по его техническим возможностям под автоматизацию технологических операций на технологической линии

2.7 Методология разработки и синтез технологических линий для переработки органического сырья на основе внедренного инновационного и модульного оборудования

2.8 Понятие «Модуль в технике» и технологии и основные требования к модульному оборудованию

2.9 Основные принципы использования модульного оборудования при синтезе технологических линий для промышленного производства органических удобрений и рекомендации по их усовершенствованию

2.10 Выводы по главе

ГЛАВА 3 Методики по разработке технических средств (модулей), для интеллектуальных технологий переработки органического сырья

3.1 Методика, расчет параметров гидромеханического модуля для подготовки суспензии торфа перед подачей в реактор технологической линии для производства гуминовых удобрений

3.1.1 Методика, расчет параметров и режимов работы вибросепаратора

3.1.2 Расчет параметров технологического узла гидромеханического модуля для подготовки суспензии торфа и бурого угля перед подачей в реактор технологической линии для производства гуминовых удобрений

3.2 Методика расчета и принцип работы дисмембратора (модульного устройства) для диспергации и гомогенизации суспензии торфа, бурого угля при производстве

гуминовых удобрений

3.2.1 Расчет крыльчатки всасывающего центробежного насоса и принцип работы дисмембратора

3.3 Методика модернизации программного обеспечения по дозированию

микроэлементов при производстве комплексных удобрений

3.3.1 Порядок работы программы дозирования микроэлементов

3.4 Методика работы технологической линии по производству сухих удобрений из торфа и бурых углей на основе модульного оборудования и расчет основных технологических операций с результатами экспериментальных исследований

3.5 Методические подходы к разработке программного обеспечения по синтезу технологических линий для производства органических удобрений на основании

модульного оборудования и цифровых технологий

3.5.1 Методика разработки алгоритма программы ЭВМ по синтезу технологических линий на основе модульного оборудования для переработки органического сырья

3.6 Выводы по главе

ГЛАВА 4 Экспериментальные исследования в промышленных условиях инновационных разработок и модернизированных технологических

линий с использованием модульного оборудования по переработке органического сырья

4.1 Методика проведения экспериментов по исследованию вибросепаратора

4.2 Экспериментальные исследования процесса гомогенизации в емкости гидромеханического модуля перед подачей в реактор, на технологической линии для ООО «Биохимресурс» г. Владимир

4.2.1 Методика проведения экспериментальных исследований процесса гомогенизации в емкости гидромеханического модуля

4.2.2 Расчет технологического времени по работе технологической линии производительностью 2000 литров концентрированных гуминовых удобрений за одну рабочую смену продолжительностью 8 часов

4.3 Экспериментальные исследования работы дисмембратора в составе технологической линии при переработке суспензии торфа в гуминовые удобрения перед подачей на фильтрацию на примере технологической линии для ООО

«Биохимресурс» г. Владимир

4.3.1 Методика проведения эксперимента по работе дисмембратора в составе технологической линии

4.4 Экспериментальный вариант технологической линии на основе модульного оборудования

4.5 Рекомендации по автоматизации отдельных технологических операций при синтезе технологических линий в условиях выбора модульного оборудования для ее сборки на основе цифровых технологий

4.6 Производственные испытания модернизированной на основе модульного оборудования, работающей технологической линии по выпуску органических удобрений из бурого угля в промышленных объемах на ООО «Боградский

ГОК»

4.6.1 Программа проведения производственных испытаний работы модернизированной технологической линии на соответствие инновационным технологиям и промышленным объемам производства по переработке бурого угля в Республике Хакасия

4.6.2 Производственные испытания работы модернизированной технологической линии на соответствие инновационным технологиям и промышленным объемам производства гуминовых удобрений

4.6.3 Методика проведения исследовательской работы по получению УЩР и ГКР на модульном оборудование модернизированной технологической

линии

4.6.4 Методика и экспериментальная проверка технологии производства кормовой добавки с широким спектром биологической активности на основе переработки окисленных бурых углей

4.6.5 Оценка качества производимых гуминовых удобрений «Гуматы Хакасии» по результатам полевых испытаний в 2017-2019 г. по их использованию в растениеводстве и необходимость совершенствования технологий по внесению удобрений в почву

4.6.6 Методика построения инновационного технологического процесса модернизированной технологической линии по переработке бурых углей на основе модульного оборудования и схема технологической линии

4.6.7 Универсальная технологическая линия по переработке органического сырья на основе модульного оборудования и цифровых технологий

4.7 Алгоритм решения поставленной задачи по синтезу технологических линий для переработки органического сырья на основе модульного оборудования и

программы ЭВМ

4.7.1 Производственные испытания по использованию алгоритма и программы ЭВМ по выбору модульного оборудования при синтезе и производстве технологической линии для переработки органического сырья- торфа и биогумуса для сельскохозяйственной организации ООО «Тойма» Республика Татарстан в 2021гг

4.8 Выводы по главе

ГЛАВА 5 Экономическая эффективность синтеза технологической линии для переработки органического сырья на основе ее разработки с использованием цифровых технологий по выбору модульного оборудования

5 . 1 Методика расчета материально-технических затрат при производстве

гуминовых удобрений

5.2 Методика расчета экономической эффективности с использованием функционально стоимостного анализа (ФСА) по синтезу новых технологических линий для переработки органического сырья на основе ее разработки с использованием цифровых технологий по выбору модульного оборудования для

ООО «Тойма» Республика Татарстан в 2021гг

5.3 Выводы по главе

Заключение

Список сокращений и условных обозначений

Список литературы

Приложения

Итого, стр

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методология синтеза технологических линий для производства органоминеральных удобрений из торфа и бурых углей»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Современный период развития АПК России характеризуется не только решением проблем технической модернизации сельскохозяйственного производства, но и поиском альтернативных решений по развитию органического сельскохозяйственного производства. [1,2-6,7,8-24].

Федеральным законом от 16 июля 1998 г. № 101-ФЗ «О Государственном регулировании обеспечения плодородия земель сельскохозяйственного назначения» поставлена задача обеспечения производителей сельскохозяйственной продукции торфом и продуктами его переработки [25].

Как известно, по запасам торфа Россия занимает лидирующую позицию в мире, имея торфяные месторождения на площади 162,7 млн. га и ресурсы торфа в 128,7 млрд. тонн. Это примерно 50% всех мировых запасов.

Актуальность решения данной проблемы подчеркивает и анализ положения дел в животноводстве АПК России.

По данным ученых С.М. Лукина, И.В. Русакова в настоящее время в России выход навоза и помета во всех категориях хозяйств составляет 294 млн. т, или 211 млн. т. в пересчете на подстилочный навоз, более половины из них приходится на сельскохозяйственные организации. Однако, объемы использования органических удобрений остаются крайне низкими и недостаточны даже для простого воспроизводства плодородия пахотных земель. Ежегодное их внесение стабилизировалось за последние годы на уровне 53 млн. т. в год, или менее 1 т/га посевной площади, что составляет всего 10% от потребности [26]. Ученые, занимающиеся этим вопросом, отмечают, что во всем мире резко возрос интерес к удобрениям гуматного типа. Это объясняется тем, что все больше накапливается данных о положительном влиянии гуминовых веществ на рост и развитие растений, а также на качество сельскохозяйственной продукции и плодородие почв.

В условиях дефицита органических удобрений, постоянно растущей стоимости минеральных удобрений и средств защиты растений, а также все возрастающий потребительский спрос на экологически чистую

высококачественную сельскохозяйственную продукцию ставит перед учеными и практиками задачи поиска практических решений по эффективным технологиям переработки органического сырья.

Анализ научно-технической литературы [2,4,5,6,7,6,21,22,23] показывает, что применяемые сегодня методы, основанные как на обработке торфа растворами щелочей, так и механохимической его обработке, не позволяют перевести в водорастворимую форму значительную часть гуминовых веществ торфа. Большинство зарегистрированных в России гуминовых удобрений имеют концентрацию действующих веществ 4-8-10% и относится к самому низкому классу удобрений (марка А) согласно ГОСТ Р 54249-2010 [27], Выпуск же специализированного оборудования на промышленной основе для производства гуминовых удобрений по более эффективной технологии в стране практически отсутствует.

Не решены и требуют дальнейших исследований вопросы как получить удобрения из органического сырья с высоким содержанием гуминовых и фульвовых кислот на основе новых технических и технологических решений используя модульное оборудование и цифровые технологии, а также увеличить производительность работы технологических линий до промышленных объемов.

Президентом России В.В. Путиным 3 августа 2018 г. утвержден ФЗ № 280 «Об органической продукции и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации», что требует от науки и АПК России в рамках Государственного задания на научные работы, дополнительных исследований и организационных мер в подготовке по его реализации [28].

Поэтому проведение научных исследований по разработке и синтезу технологических линий для промышленного производства органических удобрений является современной актуальной научной проблемой, требующей практического решения.

Научная гипотеза заключается в возможности повышения эффективности синтеза новых технологических линий по переработки органического сырья в промышленных объемах с использованием цифровых технологий по выбору для

них модульного оборудования на рынке машиностроительной продукции в соответствие с техническим заданием заказчика.

Степень разработанности темы. Проблема синтеза и производства технологических линий на основе интегрированных химико-технологических процессов и систем автоматического управления режимами их функционирования ставилась и частично решалась на протяжении многих десятилетий в работах Промтова М.А., Кафарова В.В., Девятова Б.Н., КричкоА.А., Родэ В.В., Юткина Л.А., Rocha J.C., Salter C.E., Arancon, N., Edwards. C.A., Измайлова А.Ю., Пахомова В.И., Миронова В.В., Аникина В.С., Титова И.Н., Передерий М.А., Ермагамбет Б.Т., Островского Г.М., Волина Ю.М., Бодрова В.И., Денисюк Е.А., Соколова Г.А., Кашинской Т.Я., Смоляниновой И.М., Хорошко С.И., Егорова А.Ф., Зиятдинова Н.Н., Богословского В.Н., Алексеева В.М, Аверьянова О.И., Антоновича С.А., Воронова В.Е., Селевцова Л.И., Базрова Б.М., Кабалдина Ю.Г., Макаров И.М., М.А. Гайбаряна, Н.Т. Сорокина, и др.

Не все результаты теоретических исследований по технологиям переработки органического сырья внедрены на уровне их промышленного использования Различное оборудование и технологии используют для этих целей, и зарубежные производители гуминовых удобрений и препаратов не раскрывая уровень технических и технологических решений.

Материалами для исследования являлись ранее разработанные, с участием диссертанта, экспериментальные технологические линии и оборудование по промышленной переработке органического сырья в гуминовые удобрения.

Работа выполнена в соответствии с планами НИОКР. В планах НИР ФГБНУ ФНАЦ ВИМ на 2019- 2021 гг. были предусмотрены дальнейшие работы по теме «Разработать инновационные технологии производства и рационального применения органоминеральных удобрений с использованием цифровых технологий в условиях перехода к высокопродуктивной системе органического сельского хозяйства».

По результатам исследований проводилась совместно с заказчиком конструкторская доработка и модернизация технологических линий с установкой

вновь разработанного или приобретенного модульного оборудования для решения проблем качества гуминовых удобрений и повышения производительности технологических линий. Это определило цель и задачи исследования.

Цель исследования - обоснование и практическая реализация методологии синтеза технологических линий для производства органоминеральных удобрений из торфа и бурых углей на основе модульного оборудования и цифровых технологий.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Провести анализ технологий и созданных на их основе разработок технологических линий по производству гуминовых удобрений из органического сырья - торфа, бурого угля и определить направления совершенствования технологических процессов и методологии создания технических средств.

2. Разработать математическую модель для выбора параметров и режимов работы технологических линий с учетом требований заказчика по исходному сырью, качеству гуминовых удобрений и производительности.

3. Разработать методику оценки уровня искусственного интеллекта модульного оборудования и рекомендации по автоматизации отдельных технологических операций с последующим созданием систем цифрового управления (цифровой двойник).

4. Обосновать состав основных функциональных модулей для синтеза технологических линий и разработать рекомендации по их усовершенствованию.

5. Разработать алгоритм и программу по выбору оборудования на рынке машиностроительной продукции для синтеза технологических линий.

6. Провести производственную проверку методологии синтеза технологических линий по производству гуминовых удобрений из отходов бурого угля и торфа.

7. Исследовать качество получаемых гуминовых удобрений из торфа и отходов бурых углей в лабораторных и производственных условиях.

8. Определить эффективность синтеза технологических линий по промышленному производству гуминовых удобрений с использованием цифровых

технологий, и модульного оборудования, предлагаемого на рынке машиностроительной продукции.

Объект исследований. Технологические процессы и технические средства (модульное оборудование) в составе технологических линий по переработки органического сырья в гуминовые удобрения.

Предмет исследований. Показатели эффективности технологических процессов для получения заданной производительности и качества гуминовых удобрений на работающем и модульном оборудование технологических линий.

Научную новизну исследования составляют:

- результаты анализа научных и патентных материалов по технологиям и конструкциям технологических линий по переработке торфа, бурого угля, сапропеля и биогумуса и их классификация;

- математическая модель для выбора параметров режима работы технологической линии и на их основе методики на оборудование для новых технологий переработки органического сырья, обеспечивающих производительность и качество гуминовых удобрений в промышленных объемах;

- подготовлены и переданы предложения машиностроительным предприятиям по выпуску модульного оборудования для синтеза технологических линий с коэффициентом искусственного интеллекта (Ки и) в целях повышения уровня автоматизации работы технологических линий при промышленном производстве гуминовых удобрений;

- методики определения конструктивных и технологических параметров технических средств на соответствие требованиям к модульному оборудованию выполняющее гидромеханическое многофакторное воздействие на суспензию торфа и бурых углей при их очистке перед подачей в реактор и переработке в реакторе с использованием дисмембратора (дезинтегратора) для получения концентрированных качественных гуминовых удобрений в промышленных объемах;

- совершенствование системы дозирования микроэлементов под

промышленные объемы производства комплексных гуминовых удобрений;

- методология синтеза технологических линий для промышленной переработки органического сырья на основе разработанного и внедренного оборудования, использование алгоритма работы программы на ЭВМ по выбору аналогичного модульного оборудования на рынке машиностроительной продукции с целью сборки универсальной технологической линии.

Научная новизна исследования заключается в методологии синтеза новых технологических линий по переработке органического сырья с учетом многовариантных решений по их формированию на основе выбора модульного оборудования, из производимого машиностроительными предприятиями, с использованием математической модели, алгоритма и программы ЭВМ по его выбору в целях оптимизации работы технологической линии по качеству и производительности с сокращением сроков ее сборки.

Новизна технических решений подтверждена 9 патентами Российской Федерации на изобретения и полезные модели, а также 2 свидетельствами. Теоретическая и практическая значимость работы заключается:

- в полученных теоретических зависимостях, позволяющих определить оптимальные конструктивные и технологические параметры оборудования для сборки технологических линий на основе математической модели работы технологической линии и на их основе методики на оборудование для новых технологий переработки органического сырья, обеспечивающих производительность и качество гуминовых удобрений в промышленных объемах;

- в целях автоматизации работы технологических линий теоретически обоснована необходимость производства модульного оборудования с определенным коэффициентом искусственного интеллекта (Кии) адаптированного к отечественным программам ЭВМ, соответствующие рекомендации приняты Ассоциацией «Станкоинструмент»;

- расчет параметров и режимов работы гидромеханического модуля по комплексной очистки органического сырья;

- расчет параметров и режимов работы дисмембратора и дезинтегратора для реализации метода дискретного многофакторного энергетического воздействия на химико-физические процессы в технологической цепочке "реактор -дисмембратор -реактор", «реактор -дисмембратор - кавитатор -реактор», основанной на высокой скорости потока жидкости, ее активации, интенсивной кавитации и высоких сдвиговых и срезывающих усилиях при разрушении твердых частиц в органическом сырье;

- совершенствована система дозирования микроэлементов под промышленные объемы производства комплексных гуминовых удобрений;

Практическую значимость работы составляют:

- результаты промышленной эксплуатации в регионах России и Белоруссии экспериментальных технологических линий, разработка инновационного оборудования для их модернизации и сборке новых технологических линий на основе модульного оборудования, выпускаемого на промышленной основе;

- разработанные конструктивные, и технологические параметры инновационных технических средств для гидромеханической комплексной очистки органического сырья перед подачей в реактор, дисмембратор, дезинтегратор, кавитатор, бициркуляционный диффузионный измельчитель, системы фильтрации гуминовых удобрений и дозирования микроэлементов;

- конструктивные и технологические параметры новых технологических линий, модернизированных и синтезированных на основе модульного оборудования машиностроительных предприятий подобранных с использованием программы ЭВМ;

- полученные результаты позволяют хозяйственным организациям используя цифровые технологии и модульный принцип синтеза технологических линий оперативно решать государственной важности задачу, сократить сроки разработки и производства новых технологических линий для переработки органического сырья торфа, бурого угля в гуминовые удобрения и препараты в востребованных количествах, в интересах развития органического сельскохозяйственного производства в России.

Методология и методы исследования.

При решении поставленных задач использовались методология системного анализа и синтеза, основанная на теории вероятностей и математической статистики, численные методы решения аналитических зависимостей, классической механики.

Автором обоснован состав основного модульного оборудования, и основных принципов его использования при синтезе технологических линий, алгоритма и программы ЭВМ по его выбору на рынке машиностроительной продукции. Экспериментальная проверка принятых решений подтверждалась общепринятыми методами проведения лабораторно - полевых исследований.

Материалами для исследования являлись 11 технологических линии по переработке органического сырья в гуминовые. удобрения, разработанные с участием автора, работающие в регионах России и за рубежом. Совершенствование методологии создания линий основаны на анализе эффективности работы технологических линий на основании их технических и технологических возможностей.

Методами исследования работы технологических линий были практические результаты проверки зависимости качества полученной продукции и ее производительность от параметров и режимов работы ее отдельных узлов и агрегатов.

Определялась тенденция развития работ по разработке и синтезу новых технологических линий на основе математической модели технологического процесса и оборудования с использованием разработанного алгоритма и программы ЭВМ по выбору модульного оборудования на рынке машиностроительной продукции. При выполнении экспериментальных исследований в условиях производства использовались общеизвестные и разработанные на их базе частные методики.

Положения, выносимые на защиту:

1. Результаты анализа работы технологических линий по производству гуминовых удобрений в регионах России и за рубежом, выявленные проблемы и

направления совершенствования технологического процесса и технических средств с целью сборки новых технологических линий на основе модульного оборудования. Классификация технологий и оборудования по производству гуминовых удобрений

2. Математическая модель для выбора параметров режима работы технологической линии и на их основе методики на оборудование для новых технологий переработки органического сырья, обеспечивающих производительность и качество гуминовых удобрений в промышленных объемах

3. Теоретическое обоснование рекомендаций машиностроительным организациям по автоматизации отдельных технологических операций на модульном оборудовании для технологических линий с внедренным коэффициентом искусственного интеллекта (К и. и.) адаптированного к отечественным программам управления.

4. Результаты разработки нового технологического оборудования для модернизации и сборки технологических линий:

- по расчету параметров на новые технические средства - гидромеханический модуль для подготовки суспензии торфа перед подачей в реактор;

- по расчету параметров модульного устройства (дисмебратор) для диспергации суспензии торфа и бурого угля;

- результаты совершенствования системы дозирования гуминовых удобрений микроэлементами при производстве комплексных удобрений.

5. Результаты исследования по использованию модульного оборудования при модернизации технологических линии, разработка технологической схемы инновационной и универсальной технологической линии по переработке бурого угля в Республике Хакассия;

- результаты исследования качества получаемых гуминовых удобрений из торфа и бурых углей в лабораторных и производственных условиях.

6. Методология по выбору модульного оборудования для разработки и сборки технологической линии на основе алгоритма и программы ЭВМ для Республики Татарстан:

- результаты исследования производительности и качества полученных гуминовых удобрений в промышленных объемах на технологической линии модульной конструкции, собранной в 2021г. на основе алгоритма и программы ЭВМ для сельскохозяйственной организации ООО «Тойма» Республика Татарстан».

7. Оценка эффективности синтеза сборки технологической линии для промышленного производства органических удобрений на основе модульного оборудования.

Степень достоверности и апробация результатов. Вклад автора.

В процессе теоретических исследований разработана математическая модель для выбора параметров режима работы технологической линии и на их основе методики на оборудование для новых технологий переработки органического сырья, обеспечивающих производительность и качество гуминовых удобрений в промышленных объемах.

Предложено машиностроительным организациям разрабатывать и производить модульное оборудование со встроенным «искусственным интеллектом» адаптированным к Российским системам управления и контроля за технологическими операциями. Подготовлены рекомендации по автоматизации отдельных технологических операций с последующем созданием системы цифрового управления.

Автором, в данной работе дано определение понятия «модуль» применительно к разработке технологического оборудования для производственных целей по выпуску конкретного продукта, определены принципы концепции модульного построения технологических линий.

Для решения проблемы по сокращению сроков разработки и производства новых технологических линий автором предложено вместо изготовления оборудования в условиях экспериментального производства научного учреждения для их комплектации, приобретать модульное оборудование машиностроительных организаций. Изготовлены 11 технологических линий для регионов России и

поставкой на экспорт для Белоруссии. Совместно с заказчиками в 2016 -2019 г.г. проводился анализ их работы, определялась необходимость и экспериментальное обоснование их модернизации для производства гуминовых удобрений в промышленных объемах, что позволило выявить возможность использовать для сборки новых технологических линий модульное оборудование машиностроительных предприятий

Диссертантом совместно с научными сотрудниками и специалистами разработано новое оборудование - гидромеханический узел торфоподготовки по очистке органического сырья перед подачей в реактор, оборудование для диспергации и гомогенизации, это дизмембратор, дезинтегратор, кавитатор и бициркуляционный диффузионный измельчитель на, что получены патенты Российской Федерации.

Совершенствована программа дозирования микроэлементов при производстве комплексных гуминовых удобрений для повышения плодородия почв. Получено Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ [65]. Заменен перистальтический насос, ранее разработанный диссертантом, на дозирующий мембранный насос и электромагнитные клапаны, решены вопросы увеличения объемов внесения микроэлементов под промышленные объемы производства удобрений с учетом запроса заказчиков.

Совместно с учеными ФГБНУ ВНИМС разработана на основе модульного оборудования конструкция новой технологической линии для производства сухого гуминового удобрения из торфа. бурых углей, что позволило разработать на основе модульного оборудования мини-завод по производству сухих и жидких гуминовых удобрений из торфа для Курганской области.

Получено Свидетельством о государственной регистрации программы для ЭВМ .№2021610026, «Интеллектуальная система комплектования технологической линии на основе модульного оборудования», на хоздоговорной основе изготовлена в марте 2021 г. промышленная технологическая линия для ООО «Тойма», Кукморский район, Республика Татарстан. Это вторая технологическая линия, поставленная в Татарстан.

Реализация результатов исследования. 1. В результате исследования:

- разработано инновационное оборудование - гидромеханический узел торфоподготовки (модуль) по очистке органического сырья перед подачей в реактор, что обеспечило подачу суспензии торфа в реактор с размерностью твердых частиц не более 200 -250 мкм., качество очистки органического сырья перед подачей в реактор достигло 97 - 98%;

- разработано и изготовлено новое оборудование для диспергации и гомогенизации, это дисмембратор и дезинтегратор, что обеспечило уровень диспергации в реакторе технологической линии с размерностью твердых частиц торфа, сапропеля и биогумуса 50 -100 мкм., при норме не более 140 мкм., увеличена мощность дисмембратора и дезинтегратора с 3,5 клв./ч до 5,5 клв./ч., повышена производительность технологических линий в два раза, с 1т. до 2 т.

На технологической линии по переработке бурых углей, при модернизации перед реактором установлено модульное оборудование щековая дробилка, увеличена мощность дезинтегратора с 3,5 клв./ч до 5,5 клв./ч., что обеспечило качественную работу реактора по производству гуминовых удобрений с остаточной размерность твердых частиц от 0 до 20 -50 мкм.. За счет модульного оборудования, при использование центрифуг стало возможным решение вопросов безбалластного производства гуминовых удобрений из бурых углей;

- разработан «Бициркуляционный диффузионный измельчитель» для усиления гомогенизации суспензии торфа при ее подаче из реактора на фильтрацию или центрифугирование;

- совершенствована система фильтрации готового продукта, с целью получения без балластных гуминовых удобрений предложено использовать оборудование для центрифугирования суспензии торфа после реактора или «отстой» готового продукта 24 - 72 ч. в дополнительной накопительной емкости и использование осадочного геля после фильтрации для производства препаратов;

- совершенствована программа дозирования микроэлементов при производстве комплексных гуминовых удобрений для повышения плодородия почв, решены вопросы

увеличения объемов внесения микроэлементов с учетом запроса заказчиков на., что получено соответствующее Свидетельство о государственной регистрации;

- совместно с учеными ФГБНУ ВНИМС разработана конструкция новой модульной технологической линии для производства сухого гуминового удобрения из торфа. Даны расчеты конструктивных параметров и режимов ее работы, что позволило включить ее в состав технологического комплекса для заказчика из Курганской обл.;

- совместно с учеными ИТОСХ фил. ФГБНУ ФНАЦ ВИМ разработана конструкция машины для получения сухих гуминовых удобрений из торфа и бурых углей с участием диссертанта. Патент РФ № 177 365 Ш.

Все новые разработки 2016 - 2018 - 2021 гг., за исключением машины для получения сухих гуминовых удобрений из торфа и бурых углей, внедрены при модернизации и производстве новых технологических линий для промышленной переработки органического сырья в гуминовые удобрения, что позволило в соответствие с научной гипотезой выявить возможность использовать для сборки новых технологических линий модульное оборудование машиностроительных предприятий, вместо изготовления их в условиях экспериментального производства научного учреждения.

Модернизация технологических линий на основе энергонасыщенных модулей промышленного производства позволила разработать новые варианты инновационной и универсальной технологической линий по переработке органического сырья. Работа модернизированной на основе модульного оборудования технологической линии по переработке бурых углей, где в отвалах их более 20 млн. тонн, проверена на практике в Республике Хакассия на ООО «Боградский Гок» в 2017-2019 г. г. с исследованием качества гуминовых удобрений для растениеводства и кормовых добавок для животноводства, а также для потребностей нефтяной и газовой промышленности.

Список литературы диссертационного исследования доктор наук Сорокин Константин Николаевич, 2022 год

использован

ия

модульного

оборудован

ия

Проведенное исследование позволило выявить перспективные для развития технологии по промышленной переработки органического сырья. Это кавитационные технологии на основе механо - химической диспергации, комплексная физико- химическая переработка бурых углей и ультразвуковая газоструйная, кавитационная технология.

Проведенный анализ технологий и созданных на их основе разработок технологических линий по производству гуминовых удобрений позволил определить основные направления совершенствования технологических процессов, а проведенная классификация технологий и оборудования по производству гуминовых удобрений, выявить необходимые для их реализации технические средства и модульное оборудование. На (рисунок 1. 21) представлена технологическая линия по переработке торфа образца 2014 - 2015 гг. В результате производства новых технологических линий проводился активный поиск современных технических и технологических решений, что позволило создать на 100% новую конструкцию технологической линии в условиях экспериментального производства, но не удалось в полной мере решить вопросы стабильности по качеству конечного продукта и производительности до уровня промышленных объемов.

Рисунок 1.21 - Экспериментальная технологическая линия по переработке торфа 2014-2015г

1.4 Теоретические проблемы совершенствования технологических процессов и оборудования по производству гуминовых удобрений

Необходимо отметить, что многие научные разработки в последние 10 - 15 лет по конструкциям технологических линий и технологиям для переработки органического сырья оформленными в виде патентов и свидетельств, что дает возможность экспериментального выбора эффективных технологий и их внедрения. К числу основных теоретических проблем по разработке и производству технологических линий можно отнести:

- необходимы целевые научные исследования по проблемам повышения производительности и автоматизации основных технологических операций на технологической линии;

- в основе разработки новых технологических линий по переработке органического сырья должна быть научная гипотеза, проверка которой теоретически может быть организована на основе тестирования. Для этого необходимо создавать «цифровые двойники» технологических линий. Компьютерные модели должны адаптироваться к меняющимся условиям в режиме реального времени, ориентируясь на поступающие с производственных площадок данные. Это в свою очередь позволяет предвидеть технологические осложнения в работе оборудования и вовремя среагировать на них;

- необходимо рассматривать технологические возможности при разработке новых технологических линий с учетом встроенного искусственного интеллекта на модульном оборудование и цифровых технологий по автоматизации технологических операций. Используя нейронные сети, можно создавать цифровые модели технологических линий на основе модульного оборудования, позволяющие сократить сроки разработки и сборки технологических линий;

- на низком уровне методическое развитие новых инструментов, генерация идей и решений как повысить качество конечного продукта - гуминовых удобрений и препаратов на основе технических решений, применяемых в процессе разработки технологических линий и их работе;

- нет научных рекомендаций по использованию отработанных технологий по производству гуминовых удобрений и препаратов в промышленных объемах, следовательно, работа на технологических линиях с использованием химических реагетов при переработке органического сырья построены в основном на энтузиазме исследователей и заказчика этих линий.

Необходимо теоретическое обоснование построения и функционирования модульных технологических линий по промышленной переработке органического сырья из торфа, бурых углей, сапропеля, и биогумуса.

С помощью математической модели, описывающей гидромеханические и механические процессы, появляется возможность математически сформулировать задачу его изучения и воспользоваться для анализа его свойств математическим аппаратом, который не зависит от конкретной природы данного объекта. Этот аппарат позволяет единообразно описать широкий круг фактов и наблюдений, провести их детальный количественный анализ, предсказать, как поведёт себя объект в различных условиях, т.е. прогнозировать результаты будущих наблюдений. Наличие теоретических проблем говорит о необходимости в научных исследованиях опираться не только на экспериментальную базу научных учреждений, а активно решать данные проблемы совместно с реальным сектором промышленности, машиностроительными предприятиями.

1.5 Основные направления совершенствования технологических процессов и технических средств при разработке и синтезе технологических линий

Проведенный анализ работы технологических линий выявил необходимость дополнительных исследований технологических процессов и технических средств результаты которых можно использовать при разработке и синтезу новых технологических линий, к их числу необходимо отнести:

- разработку универсальной модели технологической линии по производству гуминовых удобрений высокого качества из торфа и бурых углей с производительностью в промышленных объемах ;

- за исключением патентов и свидетельств на разработанные технологические линии Института технического обеспечения сельского хозяйства (ИТОСХ) фил. ФГБНУ ФНАЦ ВИМ ни в одном рассмотренном патенте нет оборудования для комплексной гидромеханической очистки органического сырья от песка и других включений с предварительным разрушением твердых частиц до размерности 200 - 250 мкм. перед подачей в реактор. Необходимо усовершенствовать конструкцию узла торфоподготовки и исследовать качество очистки суспензии органического сырья в процессе гидромеханического воздействия на нее перед подачей в реактор;

- за исключением ИТОСХ фил. ФГБНУ ФНАЦ ВИМ на рассмотренных технологических линиях отсутствует автоматизированная система дозирования микроэлементов при производстве комплексных удобрений. Действующую систему дозирования необходимо совершенствовать в части комплектующего оборудования и производительности по дозированию микроэлементов под промышленные объемы производства удобрений;

- необходима разработка предложений по автоматизации отдельных технологических операций, уровень автоматизации рассмотренных разработок технологических линий не превышает 10 %, в большинстве отсутствует контрольно приборная составляющая по контролю качества предварительной очистки сырья, активация воды и ее нагрев до 60 - 70 Со, диспергация суспензии

торфа в реакторе, формированию уровня рН (норма 6,5 - 9 ед.) в реакторе в процессе диспергации, время диспергации с учетом объема реактора и т.д., все это по контролю за технологическими операциями выполнятся операторами в основном вручную;

- в вопросе автоматизации новых технологических линий предлагается рекомендовать машиностроительным предприятиям внедрить систему определения уровня Ки.и. (коэффициента искусственного интеллекта) на производимое модульное оборудование с учетом групп его сложности и адаптации в системе нейронных сетей к разработанным отечественным программным материалам по управлению оборудованием;

- система фильтрации готового продукта (гуминовых удобрений) требует технического и технологического совершенства т.к. использование батареи гидроциклонов и центрифуги по своей дороговизне является сдерживающем фактором для заказчика. Необходимо проанализировать способы очистки гуминовых удобрений после реактора и предложить рациональный способ и вид технологического оборудования;

- отсутствие производства на машиностроительных предприятиях отдельных видов оборудования по качественной переработке органического сырья (торф, бурый уголь, сапропель и биогумус), к их числу необходимо отнести -оборудование для гидромеханической многофакторной очистки торфа, дисмебраторы и дезинтеграторы для тонкого помола органического сырья (до 20 -50 - 100 мкм), система дозирования микроэлементов, станция тонкой фильтрации удобрений и оборудование по автоматизации технологических операций требует на первой стадии их разработки и исследования для последующей замены на аналоги модульного оборудования машиностроительных предприятий. Цель данного подхода это решение проблем - повышение производительности технологических линий от 1 до 2 т. концентрата за 8 час, в одну смену, а также устойчивое обеспечение качества конечного продукта, дисперсность гуминовых удобрений в пределах 50 - 70 - 100 мкм;

- необходимы исследования технологических проблем при производстве без щелочных препаратов и гуминовых удобрений с целью повышения в них содержания водорастворимых солей - гуминовых и фульфо кислот более 30 г/л, что соответствует 3 кл. их качества;

- подготовка рекомендаций по производству на технологических линиях безбалластных гуминовых удобрений и препаратов;

- обоснованный выбор приобретаемого технологического оборудования для сборки технологической линии, например проточного водонагревателя с учетом его работы с гидромеханическим очистителем.

- необходима разработка варианта конструкции технологической линии по промышленной переработке органического сырья с использованием модульного оборудования приобретаемого на рынке машиностроительной продукции на основе алгоритма и программы ЭВМ по его выбору.

Сегодня эта научная задача и как гипотеза стала реально достижимой, когда имеется практический опыт модернизации технологических линий и использование модульного оборудования машиностроительных предприятий на основе цифровых технологий по его выбору позволяет производить универсальные технологические линии по переработке органического сырья в промышленных объемах.

Вместе с тем научная гипотеза требует проверки на предмет того насколько машиностроение готово в современных условиях развития экономики и промышленности адекватно ответить вызовам на поставку инновационного модульного оборудования и цифровых технологий в условиях пятого технологического уклада и развития машиностроения для этих целей.

1.6 Анализ и результаты практической работы технологических линий по переработке органического сырья, поставленных в регионы России и за рубеж в 2015-2018 гг., и меры по их инновационному совершенствованию

Ежегодно проводился мониторинг и экспертная оценка работы технологических линий у заказчика за период с 2015 г. по 2018 г. Все

технологические линии перед отправкой заказчику проходили экспериментальные исследования по выпуску промышленной партии гуминовых удобрений из сырья (торф, бурый уголь, сапропель и биогумус) заказчика с выдачей результатов независимых лабораторных исследований по их качеству. По каждой

технологической линии заказчиком подписаны акты внедрения. Порядок проведения мониторинга - анализировались материалы, полученные от собственника технологических линий как в письменной, так и устной форме, в расчетах по объему произведенной продукции учитывалось, работа на технологической линии в одну смену, сезонный характер работы в течение года (февраль, март-июнь месяцы и август - сентябрь) в среднем 180 рабочих смен. Первые технологические линии образца 2014 - 2015 гг. имели производительность по производству в одну смену (8 часов), концентрат гуминовых удобрений 1000 л, а последующие в 2016 - 2018 гг. с новыми техническими и технологическими разработками в оборудование по 1500 и 2000 л/с.

Мониторинг (таблица 3) показал, что на расчетной производительности технологических линий работало только 78,5 %. Результаты мониторинга представлены в таблице 1. 3.

Таблица 1. 3 - Мониторинг объема реализованной продукции на 01.12.2019 г. (экспертная оценка)

№ п/п Наименование заказчика Дата ввода в эксплуатацию Количество отработанных смен Объем полученной продукции, т

1. ООО «Зоовет» г.Рязань произв.1000 л/с декабрь 2014 г. 620 620

2. ООО НПФ «Сады Чечни» г. Грозный произв.1000 л/с февраль2015г 120 120

3. ОАПОУ «Боровичский агропромышленный техникум» произв.1000 л/с (Новгородская область) август 2015 г. 90* 90*

4. ООО «Сервис-Агро» произв.1500 л/с (Республика Татарстан) декабрь 2015 г. 490 585

5. ООО НПЦ «Биотехнологии» произв.1500 л/с (г. Оренбург) 2016 г. 280 304

6. ООО «Боградский ГОК» (Республика Хакасия, произв.1000 л/с г. Черногорск) 04.2016 г. 390 390

7. ООО «Биохимресурс» произв.1000 л/с (г. Владимир) июнь 2016 г. 25 37

8. ООО «Интеллектуальные системы развития» произв.2000 л/с (г. Курган) ноябрь 2016 г. 170 340

9. ООО «Агробио» произв.2000 л/с (Республика Беларусь) апрель 2017 г. 125 250

10. ООО НВПП «Агротехнологии» произв.1500 л/с г. Оренбург) июль 2017 г. 110 165

11. ООО «Промимпэкс» произв.2000 л/с (г. Екатеринбург) март 2018 г. 90 180

Итого: 2510 3081

1. Анализ результатов работы технологической линии у заказчика ООО «Зоовет» г. Рязань в соответствие с патентами Российской Федерации №2573358 от 17.12.2015 г., №2566993 от 01.10.2015 г., в разработке которых принимал непосредственное участие диссертант [47,85] (рисунок 1.22) показал:

- технические недостатки - отсутствие оборудования для комплексной гидромеханической очистки торфа от песка и кремниевых включений, это 8 - 10 % от объема сырья, попадает с суспензией торфа в реактор;

- технологические недостатки - отстой готового продукта после реактора до 72 часов перед подачей на фильтрацию, большой осадок до 10 %, что требует дополнительно производить две технологические операции, грубую и тонкую очистку готового продукта перед его подачей в накопительную емкость.

Рисунок 1. 22 - Технологическая линия у заказчика ООО «Зоовет» г. Рязань С целью устранения данных проблем диссертантом было предложено изготовить гидромеханический модуль для комплексной очистки суспензии торфа от песка и мелких фракций в комплекте с вибросепаратором. Дополнительно технически решить вопросы подогрева воды до 60 - 80 С° для активации суспензии торфа с установкой водоподогревателя мощностью 42 квт.

Конструктивные расчеты и результаты работы гидромеханического модуля изложены в научной статье [86] и материалах третьей главы данной работы. С научной точки зрения важно, что в процессе подготовки суспензии торфа к дальнейшей переработке ее в реакторе, в емкости гидромеханического модуля торфоподготовки каждая частица торфа подвергается комплексному, многофакторному разрушительному воздействию сил, имеющих разные величины и направления.

2. Технологическая линия для Чеченской Республики №2 На данный период технологическая линия (рисунок 1.23) модернизируется для обеспечения капельного полива с дополнением микроэлементов в тепличном хозяйстве.

Рисунок 1. 23 - Общий вид технологической линии для Чеченской Республики

3. Технологическая линия № 3, для г.Боровичи. Новгородская область, рисунок 1. 24

Технологическая линия приобретена по инициативе Администрации области и используется в учебных целях в «Боровический агропромышленный техникум».

Рисунок 1.24 - Технологическая линия № 3, для г.Боровичи.

Новгородская область

Удобрения реализуются для питомников лесного хозяйства. Технически исправна, запас продукции на складе 4 тонны. 4.Технологическая линия № 4, для Татарстана

Анализ результатов работы технологической линии у заказчика ООО «Сервис Агро», Республика Татарстан показал (рисунок 1. 25):

- технически и технологически необходимо модернизировать систему дозирования микроэлементов при производстве комплексных удобрений на основе органики под объемы в 3 - 4 раза больше имеющейся производительности в 1,5 т. в смену в соответствие со спросом на рынке органических удобрений;

- заказчиком предложено при проектирование новых технологических линий увеличить их производительность с 1.5 тонн до 2 - 4 тонн концентрированных органических удобрений в одну рабочую смену.

Рисунок 1. 25 - Технологическая линия № 4, для Татарстана В данном случае диссертантом совместно с учеными Рязанского института технического обеспечения сельского хозяйства (ИТОСХ филиал ФГБНУ ФНАЦ ВИМ) модернизирована система дозирования микроэлементов под большие объемы для повышения урожайности в растениеводстве и плодородия почв. Результаты научных исследований изложены в научных материалах [87] и третьей главе. Заказчику предложено внедрить процесс обогащения гуминовых препаратов необходимыми микроэлементами, который осуществляется методом дозирования в готовый продукт с помощью программы ЭВМ установленной на технологической линии.

5. Технологическая линия № 5 для производства комплексных удобрений на основе бурого угля для ООО НПЦ Биотехнологии г. Оренбург. Технологическая линия (рисунок 1.26) предназначена для производства жидких гуминовых и на их основе комплексных удобрений из бурого угля.

Рисунок 1. 26 -Технологическая линия № 5 для производства комплексных удобрений на основе бурого угля для ООО НПЦ Биотехнологии г. Оренбург

Линия имеет блочно- модульную конструкцию. В основе работы линии положено диспергирование сузпензии угля с использованием дезинтегратора,позволяющего измельчать бурый уголь до 50 мкм. Технические характеристики:

2.1 Производительность, л/смену при производстве концентрата гуминовых удобрений 1500

2.2 Габаритные размеры, м:

- длина при последовательном расположении..........7

- ширина с площадкой обслуживания 3

- высота 2,5

2.3 Масса, кг 1200 Время одного технологического цикла, ч 2 - 2,5

Анализ результатов работы технологической линии у заказчика ООО «НПЦ Биотехнологии» г. Оренбург на переработке бурых углей показал:

- технологическая линия работает, замечаний по оборудованию и технологии нет, все запросы покупателей на удобрения закрываются, это 3 - 5тонн концентрата в

месяц. По мнению заказчика, в области плохо занимаются внедрением новых агротехнологий на основе органических удобрений.

6. Технологическая линия № 6 для производства гуминовых удобрений из бурого угля для ООО "Боградский ГОК", Республика Хакасии (рисунок 1.27).

Рисунок 1. 27 - Технологическая линия № 6 для производства гуминовых удобрений из бурого угля для ООО "Боградский ГОК", Республика Хакасии

Проведена модернизация технологической линии:

- технологическая линия усилена модульным оборудование - вибрационной мельницей типа МВ - 20 для размолота бурого угля перед подачей в реактор до размерности 20 - 50 мкм и механохимической активации угольного вещества, что позволило производить качественную фильтрацию гуматов размерностью до 70 мкм вместо 140 мкм;

- заменен дисмембратор мощностью 3 квт. на 5,5 квт и рекомендовано в технологической цепочке «дисмембратор - реактор - дисмембратор - кавитатор -реактор» установить кавитатор для глубокой гомогенизации суспензии, на кавитатор авторской разработки получен Патент Российской Федерации №161518 от 23.11.2015 г., [87]. Приложение Г;

- в целях исключения балластного остатка после реактора, гуминовые удобрения перекачиваются в дополнительно установленные емкости, где

удобрения отстаиваются в течение трех суток и без балласта подаются на фильтрацию;

- с целью расширения ассортимента продукции, гуминовые удобрения после фильтрации подаются в две дополнительно установленные центрифуги для сушки и выпаривания с использованием влагоотделителя и получения сухих гуматов с добавлением в них микроэлементов;

- дополнительно на технологической линии установлен гранулятор;

- заменена накопительная емкость 1000 л., для конечного продукта на 3500 литров. Методика проведения исследований модернизированной технологической линии и получение нового продукта в четвертой главе.

7. Технологическая схема линии № 7 (рисунок 1.28) для "ООО Биохимресурс» г. Владимир

Рисунок 1. 28 - Технологическая схема линии № 7 для "ООО Биохимресурс» г.

Владимир

Предназначена для производства жидких гуминовых удобрений из биогумуса и торфа. Линия имеет блочно-модульную конструкцию. Анализ результатов работы технологической линии у заказчика ООО «Биохимресурс» г. Владимир:

-технологическая линия возможность получать для технологических целей горячую воду, замечаний по работе нет.

8. Технологическая линия № 8 в составе технологического комплекса (рисунок 1. 29) для производства жидких и сухих удобрений из торфа г. Курган.

Рисунок 1. 29 - Технологический комплекс по переработке органического сырья для г. Кургана, на базе технологической линии № 8 (справа) для производства

жидких удобрений из торфа

На (рисунке 1.30) Технологическая линия № 8 А для производства сухих

удобрений из торфа.

Рисунок 1. 30 - Технологическая линия № 8А для производства сухих удобрений из торфа в составе технологического комплекса для г. Кургана

Анализ результатов работы технологической линии у заказчика ООО «Гуматы» г. Курган по переработке торфа показал:

- низкий уровень выхода гуминовых веществ от 2 до 10 г/л., по причине технологической, не отрегулирована работа системы подготовки и очистки торфа перед подачей в реактор;

- требует замены дисмембратор, который пропускает твердые частицы торф размерностью более 140 мкм и не обеспечивает качество диспергации суспензии торфа подаваемой с гидромеханического модуля до размерности 50 - 70 мкм.[89];

- система дозирования микроэлементов по программе ЭВМ отрегулирована в соответствие с рекомендациями специалистов по ее корректировки [88];

-причина выше отмеченных недостатков работы оборудования на технологической линии частая смена операторов и их низкая квалификация.

9. Технологическая линия № 9 (рисунок1. 31) для Белоруссии

Рисунок 1. 31 - Технологическая линия № 9 для Республики Беларусь Для производства жидких гуминовых удобрений из торфа, сапропеля и биогумуса.

Исследование результатов работы технологической линии у заказчика ООО «АгроБио» г. Борисов Республика Беларусь по переработке торфа показало:

- гидромеханический очиститель торфа технологически не отрегулирован и пропускает в реактор до 50 % кремниевых включений в суспензии торфа, выданы необходимые рекомендации [86];

- восемь килограмм песка на 100 кг. торфа, поступающие в реактор, сократили срок эксплуатации сетки статора у дисмембратора, которая вышла из строя:

- качественная фильтрация суспензии торфа после реактора обеспечивается за счет ее отстоя в дополнительно установленных технологических емкостях в течение 72 час. перед подачей на станцию фильтрации.

10. Технологическая линия № 10 (рисунок 1. 32)

Рисунок 1. 32 - Технологическая линия № 10 для производства комплексных удобрений на основе гуминовых из бурого угля для ООО НВПП "Агротехнологии» г. Оренбург

Анализ результатов работы технологической линии у заказчика ООО «НВПП Агро технологии» г. Оренбург на переработке бурых углей показал:

- технически и технологически не решены вопросы предварительной подготовки бурого угля, его просеивание и измельчение до размерности от 50 до 100 мкм. перед подачей в реактор для смешивания с водой и щелочью, рекомендовано использовать опыт ООО «Боградский ГОК» Республика Хакасия г. Черногорск на переработке бурых углей, где технологическая линия усилена модульным оборудованием - вибрационной мельницей типа МВ - 20 для размолота

бурого угля перед подачей в реактор до размерности 20-50 мкм и механохимической активации угольного вещества, что позволило в два раза снизить балластные остатки перед фильтрацией гуматов;

- произведена замена дисмембратора мощностью 3,5 квт. на 5,5 квт новой конструкции, разработанной диссертантом совместно с учеными ФГБНУ ВНИМС, технически решена проблема производства гуминовых удобрений с дисперсностью 140 мкм и ниже, что соответствует технологическим требованиям сельскохозяйственных машин по внесению удобрений в растениеводстве [89]. 11. Технологическая линия № 11 (рисунок1. 33) для г. Екатеринбурга.

Рисунок 1. 33 - Технологическая линия № 11 для г. Екатеринбурга Схема технологической линии № 11 для г. Екатеринбурга (рисунок 1. 34).

Рисунок 1. 34 - Схема технологической линии № 11 для г. Екатеринбурга

Основные составляющие узлы технологической линии:

I. Смеситель гидромеханического очистителя, 2. Рама вибросепаратора, 3. Лоток просеивающий (вибросито), 4. Решетка для отбивки песка, 5. Емкость вибросепаратора, 6. Площадка обслуживания вибросепаратора, 7. Гребенка барботажная, 8. Насос для циркуляционного барботирования и перекачки суспензии в реактор, 9. Силовой пульт управления, 10. Привод вибросита,

II. Проточный водонагреватель, 12. Площадка обслуживания, 13. Реактор, 14. Дисмембратор. 15. Насос - дозатор подачи микроэлементов. 16.Циркуляционный насос, 17. Электромагнитные клапаны системы дозирования микроэлементов, 18. Технологические емкости приготовления микроэлементов, 19. Рама технологической линии., 20. Накопительная емкость.

21. Трубопровод разлива гуминовых удобрений в большие емкости,

22. Краны группового розлива удобрений, 23. Фильтровальная станция, 24. Пульт управления системы дозирования.

Исследование результатов работы технологической линии у заказчика ООО «Промимпекс» г. Екатеринбург по переработке торфа показало:

- на дисмембраторе регулярно через три-четыре месяца выходит из строя торцевое уплотнение, причина недостаточно качественная очистка торфяной суспензии от песка и мелких включений в гидромеханическом модуле по подготовке торфяной суспензии перед подачей в реактор, что подтверждено наличием большого количества песка в конусе реактора;

- выявлена и устранена причина не качественной очистки торфяной суспензии от песка и перегрева электродвигателя основного насоса в гидромеханическом модуле, где не работала заблокированная крыльчатка на основном валу электродвигателя;

- рекомендовано установить дополнительно между дисмембратором и реактором бициркуляционный диффузионный измельчитель, разработанный диссертантом совместно с учеными ФГБНУ ВНИМС, получен патент Российской Федерации №184613 от 31 октября 2018г. [90] Приложение Д.

- технически и технологически требуется изменить угол наклона вертикального сливного патрубка реактора из нижней части конуса, так как он пережимает сливной шланг;

- в целях соблюдения требований техники безопасности необходимо рассмотреть вопрос размещения основного блока управления технологической линией, исключающей контакт с технологическими шлангами подачи воды и суспензии.

1.7 Инновационные технические решения в разработках технологических линий для промышленного производства органических удобрений, востребованные в процессе их модернизации

Проведенный анализ работы технологических линий совместно с заказчиками позволил выявить и систематизировать основные технические и технологические недоработки в конструкции работающих в регионах технологических линий и внедрить ряд инновационных технических решений, защищенных патентами и свидетельствами для последующей разработки и

производства новых технологических линий с использованием цифровых технологий и модульного оборудования.

Основные технические и технологические замечания (таблица 1. 4) выявленные в процессе работы технологических линий у заказчика в 2016 - 2019 гг.

Таблица 1. 4 - Основные технические и технологические замечания

№ п/ п Наименование заказчика технические технологичес кие Принятые решения

Отстой

1. ООО «Зоовет» Отсутствие оборудования для комплексной гидромеханической очистки торфа от песка и кремниевых включений готового продукта после реактора до 72 часов перед подачей на фильтрацию, осадок до 10 %, Установить гидромеханич еский очиститель торфа от песка и др. включений

2. ООО НПФ «Сады Чечни» Проводится техническая модернизация Технологичес кой линии

3. ОАПОУ «Боровичский агропромышленный техникум» (Новгородская область) Замечаний по работе технологической линии нет Используется в учебном процессе для подготовки специалистов

Требуется новая.техн.

4. ООО «Сервис-Агро» (Республика Татарстан) Необходима модернизация системы дозирования микроэлементов Необходимо увеличить объемы выпуска гуматов до 510 т/смену линия под объемы 10 т/с или модернизация технологичес кой линии на основе модульного оборудования

5. ООО НПЦ «Биотехнологии» (г. Оренбург) Замечаний нет Замечаний нет

6. ООО «Боградский ГОК» (Республика Хакасия, г. Черногорск) Установлена вибрационная мельница МВ - 20, гранулятор Заменен дисмембратор на 5.5 квт. Установ.две центрифуги для сухих гуматов Проведены совместные исследования, получены новые продукты для нефтяной отрасли

7. ООО «Биохимресурс» (г. Владимир) Нет теплого производственного. помещения Низкий уровень содержания гуминовых солей Совместно решаем вопросы отработки технологии

8. ООО «Интеллектуальные системы развития» (г. Курган) Замечания по работе сушильной камеры, десмембратора и системы дозирования микроэлементов Требуется регулировка работы: системы очистки торфа, дозирования, сушки удобрений Это первый технологичес кий комплекс, ведутся совм. Работы по устранению замечаний в том числе приобретение модульного оборудования у машинострои телей

9. ООО «Агробио» (Республика Беларусь) Регулировка работ. гидромеханического очистителя Регулировка работ. станц. фильтрации Рекомендован ремонт дисмембратор а

1 0. ООО НВПП «Агротехнологии» (г. Оренбург) Вышел из строя измельчитель бурого угля, сгорел эл. двигатель MS90 L - 4. Замена дизмембратора, излом торцевого уплотнения Перегрев спирали у проточного водонагревателя DDLT 24 PIN CONTROL Дисперсность удобр. после реактора > 200мкр. Установить вибрационну ю мельницу МВ - 20 Замена водонагревате ля на более мощный «ЭВАН -ЭПВН - 42 -380»

1 1. ООО «Промимпэкс» (г. Екатеринбург) Регулярный выход из строя торцевого уплотнения на дисмембраторе Треб. переподготов. оператор. на соотв. работы согл. технологичес когорегламен та Установить бициркуляцио нный диффузион. измельчитель.

Дополнительно изучены экобиотехнологии и подходы к автоматизации контроля режимов работы установки по материалам д.т.н. Миронова В.В. [91,92].

По результатам проведенного анализа работы технологических линий, совместно с учеными ФГБНУ ВНИМС разработана на основе модульного

оборудования конструкция новой технологической линии (рисунок 1. 35) для производства сухого гуминового удобрения из торфа. Даны расчеты конструктивных параметров и режимов ее работы [93,94]. Определена зависимость продолжительности сушки торфа от геометрических размеров и технических характеристик сушильной камеры. На рисунке 1. 35 общий вид конструкция технологической линии с использованием модульного оборудования.

Рисунок 1. 35 - Общий вид конструкции модульной технологической линии для производства сухого гуминового удобрения из торфа.

1 - центробежный измельчитель; 2 - выгрузной транспортер;

3 - шиберная заслонка; 4 - циклон; 5 - всасывающий вентилятор;

6 - вытяжная труба; 7 - шиберная заслонка; 8 - сушильная камера;

9 - приемник; 10 - теплогенератор; 11 - нагревательные ТЭНы;

12 - вибросепаратор; 13 - выгрузной лоток; 14 - загрузочный транспортер;

15 - привод сушильной камеры; 16 - накопительная емкость.

В третьей главе раздел 3.6 представлена методика работы технологической линии по производству сухих удобрений из торфа и бурых углей на основе модульного оборудования и расчет основных технологических операций с результатами экспериментальных исследований

1.8 Современные проблемы разработки и производства технологических линий для переработки органического сырья и их решения на основе модульного оборудования и цифровых технологий

Современные проблемы синтеза технологических линий на основе модульного оборудования для переработки органического сырья, определены с учетом анализа развитие технических средств и конструкций технологических линий сделанные автором в материалах монографий в 2018 и 2022г.г. [95,96]. к их числу необходимо отнести:

- разработку математической модели для выбора параметров режима работы технологической линии и на их основе предложить методики на оборудование для новых технологий переработки органического сырья, обеспечивающих производительность и качество гуминовых удобрений в промышленных объемах;

- создание научно разработанной и проверенной на практике методики по технологии промышленной переработки торфа, бурого угля позволяющей получать концентрированные гуминовые удобрения с высоким содержанием гуминовых и фульво кислот;

- разработка основных модульных узлов и агрегатов, выполняющих в конструкции технологической линии технологические операции по комплексному, многофакторному воздействию на твердые частицы органического сырья в суспензии торфа, бурого угля, сапропеля и биогумуса;

- выявлена необходимость дополнительных экспериментальных исследование отдельных модулей технологической линии на предмет устойчивой работы в системе автоматизированного управления технологическим процессом переработки органического сырья в промышленных объемах к их числу необходимо отнести гидромеханический очиститель, работу оборудования по замкнутому циклу « дисмембратор - реактор- дисмембратор»;

- совершенствование программных задач на ЭВМ при производстве комплексных органических удобрений под заказ сельхозпроизводителя;

С целью решения данных проблем необходимо разработать методику выбора модулей с использованием интернет-портала при синтезе технологических линий по переработке органического сырья на основание алгоритма работы программы ЭВМ. Данный материал исследований представлен во второй и четвертой главах.

1.9 Выводы по главе

1. На основе анализа литературных источников и патентно- информационных материалов по технологиям и техническим средствам работающих в составе технологических линий, анализа работы технологических линий в регионах России, произведенных с участием диссертанта, аргументирована актуальность научных исследований по синтезу технологических линий с использованием модульного оборудования для производства гуминовых комплексных удобрений.

Наиболее эффективным вариантом является синтез технологической линии с включением в нее отдельных модулей, выполняющих определенные операции и технологически увязанных между собой в одну технологическую цепочку.

Классифицированы основные виды технологий по переработке органического сырья, определены направления совершенствования технологического процесса и технических средств;

- выявленные технические и технологические недоработки в оборудование устранены совместно с заказчиком, за счет новых разработок и приобретением модульного оборудования на рынке машиностроительной продукции.

2. Для решения современных проблем синтеза технологических линий на основе модульного оборудования для переработки органического сырья, необходимо разработать математическую модель для выбора параметров режима работы технологической линии и на их основе предложить методики на новое оборудование для технологий переработки органического сырья, обеспечивающих производительность и качество гуминовых удобрений в промышленных объемах:

- необходимо повысить производительность новых технологических линий по производству концентрированных удобрений из торфа и бурых углей в два раза, с 1 т/с. до 2 т/с. за одну рабочую смену (8час.).;

- довести качество очистки органического сырья до 97 - 98 %, дисперсность до 200 - 250 мкм. перед подачей в реактор за счет использования нового технического средства - гидромеханического очистителя модульной конструкции;

- решить техническую и технологическую проблему качества переработки в реакторе суспензии органического сырья до 50 - 70 - 100 мкм. при производстве гуминовых удобрений на основе использования новой конструкции кавитатора, дисмембратора, дезинтегратора, повышенной мощности;

- совершенствовать систему фильтрации готового гуминового удобрения и программу ЭВМ по дозированию микроэлементов при производстве комплексных удобрений.

Необходимо создание научного и практического задела для решения проблемы синтеза технологических линий на базе модульного оборудования.

3. Научной гипотезой работы является проверка возможности использования цифровых технологий по выбору модульного оборудования на рынке машиностроительной продукции для синтеза новых технологических линий по производству гуминовых удобрений из органического сырья в соответствие с техническим заданием заказчика. Это определило цель и задачи исследования.

1.10 Цель и задачи исследований

Цель исследования - обоснование и практическая реализация методологии синтеза технологических линий для производства органоминеральных удобрений из торфа и бурых углей на основе модульного оборудования и цифровых технологий.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Провести анализ технологий и созданных на их основе разработок технологических линий по производству гуминовых удобрений из органического сырья - торфа, бурого угля и определить направления совершенствования технологических процессов и методологии создания технических средств.

2. Разработать математическую модель для выбора параметров и режимов

работы технологических линий с учетом требований заказчика по исходному сырью, качеству гуминовых удобрений и производительности.

3. Разработать методику оценки уровня искусственного интеллекта модульного оборудования и рекомендации по автоматизации отдельных технологических операций с последующим созданием систем цифрового управления (цифровой двойник).

4. Обосновать состав основных функциональных модулей для синтеза технологических линий и разработать рекомендации по их усовершенствованию.

5. Разработать алгоритм и копьютерную программу по выбору оборудования на рынке машиностроительной продукции для синтеза технологических линий.

6. Провести производственную проверку методологии синтеза технологических линий по производству гуминовых удобрений из отходов бурого угля и торфа.

7. Исследовать качество получаемых гуминовых удобрений из торфа и отходов бурых углей в лабораторных и производственных условиях.

8. Определить эффективность синтеза технологических линий по промышленному производству гуминовых удобрений с использованием цифровых технологий, и модульного оборудования, предлагаемого на рынке машиностроительной продукции.

ГЛАВА 2 Теоретическое обоснование построения и функционирования модульных технологических линий по промышленной переработке органического сырья из торфа и бурых углей

2.1 Математическая модель для выбора параметров режимов работы технологической линии при производстве комплексных удобрений

Методика исследования основана на использовании методов системного анализа, математического моделирования и условной оптимизации оборудования в схеме технологической линии. Список сокращений и условных обозначений представлен после заключительных выводов данной работы. Математическую модель, описывающую взаимосвязи процессов работы модульного оборудования в составе технологической линии при производстве удобрений, на основании которого можно изучать закономерности его развития и давать прогноз разработки технологических линий на будущее можно описать следующим образом:

Б = (У,Х,^). (2.1)

Выражение (2.1) может быть переписано в виде: V Е Ет - внешние переменные и параметры (формируются на выходе из математической модели), которые зависят от требований заказчика, и, как правило, являются требованиями к производимым комплексным удобрениям; X Е Еп -внутренние переменные и параметры, такие как производительность отдельных модульных агрегатов; о = (ог, ...,ат1) - функции связи внешних и внутренних переменных и параметров; F = (Рг,..., Рп) - передаточная функция.

Выражение (2.1) может быть переписано в виде:

а(У,Х) = 0, (2.2)

X = Р(У,Х°).

Переменные V и X не являются функциями времени, в связи с чем задача (2) является балансовой и не динамической. Графическое представление вышесказанного показано на рисунке 2.1.

Входными данными математической модели являются характеристика исходного органического сырья (торф, бурый уголь, сапропель, биогумус,), используемого для производства комплексных удобрений, такие как: тип органического сырья Тв, дисперсность органического сырья , [мкм]. Архитектура технологического процесса по производству комплексных удобрений также зависит от таких параметров как: ассортимент выпускаемых комплексных удобрений I (комплексы удобрений для с/х культур и поддержания плодородия почв) и уровень автоматизации всего технологического процесса, Ау.

Рисунок 2.1 - Общий вид математической модели технологической линии по производству комплексных удобрений различного типа

Тв - тип органического сырья; - дисперсность органического сырья, мкм; I - ассортимент выпускаемых комплексных удобрений; Ау - уровень автоматизации технологического процесса; Qtech - производительность технологической линии по производству комплексных удобрений, л/ч; Р -потребляемая мощность электроэнергии технологической линии, кВт/ч; Кш -коэффициент искусственного интеллекта модульного оборудования; Сх- концентрация гуминовых солей, г/л; 32 - дисперсность готового продукта, мкм.

Выходными данными математической модели являются: производительность технологической линии по производству комплексных удобрений Qtech, [л/ч]; потребляемая мощность электроэнергии Р технологической линии, [кВт/ч]; коэффициент искусственного интеллекта

модульного оборудования Кт, концентрация гуминовых солей, Сь [г/л]; дисперсность готового продукта 82, [мкм]. В связи с вышесказанным массив данных входных и выходных данных математической модели примет вид:

Х = (61,Тв,1,АУ ),

2.2 Математическое описание пооперационной последовательности действий

при производстве комплексных удобрений

На рисунке 2. 2 представлен структурный вид математической модели технологического процесса. Технологическая линия работает циклично.

Технологический процесс обеспечивается работой модулей, в составе:

1) Модуль весового дозирования и сепарирования. Предназначен осуществлять доставку со складского участка необходимого количества органического сырья предварительно подсушенного до 25-30% влажности, размерностью частиц сырья не более 5-7 мм. и механизированную загрузку его на лоток вибросепаратора, входящего в состав гидромеханического модуля.

2) Гидромеханический модуль. Производит очистку суспензии органического сырья от песка и других включений с предварительным разрушением твердых частиц в сырье до размерности 200 -250 мкм. перед подачей в реактор.

3) Модуль по переработке суспензии (реактор -дисмембратор-реактор). При помощи дисмембратора и кавитатора производится диспергация и гомогенизация суспензии до получения необходимых качественных показателей по дисперсности от 0 до 100 мкм, по измельчению остаточных твердых частиц, с добавлением щелочи (или без щелочи) перед подачей ее на модуль тонкой фильтрации органических удобрений.

4) Модуль тонкой фильтрации органических удобрений. Модуль предназначен для очистки удобрений поступающих из реактора до размерности 100 мкм. перед подачей их в следующий модуль.

5) Модуль внесения минеральных добавок предназначен для обеспечения автоматизированного дозирования микроэлементов в органические удобрения после фильтрации при подаче их в накопительную емкость.

6) Модуль накопительной емкости и разлива органических удобрений. Предназначен для приема и хранения готовой продукции, расфасовки и отпуск ее покупателям.

Каждый модуль на выходе имеет переменные, которые являются результирующими в математической модели, а именно:

- Модуль весового взвешивания: Р1; Кии1; - Гидромеханический модуль: Р2, Кии2;

- Модуль по переработке суспензии - реактор: Р3, Кии3;

- Модуль тонкой фильтрации органических удобрений - Р4, Кии4,62, С1;

- Модуль внесения и смешивания минеральных добавок: Р5, Кии5;

- Модуль накопительной емкости и розлива органических удобрений Р6, Кии6.

Рисунок 2. 2 - Структурный вид математической модели технологического

процесса на технологической линии

Согласно рисунку 2.2 каждое модульное устройство текущего технологического процесса имеет свою производительность q¿, таким образом

объем выпускаемого комплексного оборудования можно описать как экстремум функции и записать в следующем виде:

Qtech = Щт(<Ъ Ц2, - , Чт) (2.3)

где т - количество модульного оборудования, используемого в технологической линии по производству комплексных удобрений, при этом справедливо по производительности равенство < ц2 < ••• < .

Конструкция самой технологической линии налагает ограничения на объем выпускаемого комплексного удобрения V м за цикл работы всего технологического оборудования в связи с наличием ограничений по загрузке отдельных модульных агрегатов технологической линии. Данный объем варьируется в пределах 0 <УМ < V Мтах, где V Мтах - максимальный объем производимых комплексных удобрений за цикл работы технологической линии.

Также по требованиям заказчика может быть предусмотрена линия по выпуску ассортимента I комплексных удобрений за цикл работы технологической линии. В связи с вышесказанным можно записать объем выпускаемого ассортимента комплексных удобрений как:

УМ=Ъ)=1УМ1,]=Т;1, (2.4)

где I - ассортимент комплексных удобрений. Ассортимент комплексных

удобрений достигается путем дозирования необходимых микроэлементов в

соответствии с заказом покупателя, при этом производительность технологической

линии не превышает VМтах.

Соответственно, из вышесказанного, производительность технологической

линии также равна:

Qtech = (2.5)

где Т - время работы технологической линии, и представляет собой вектор

столбец Т = Ь2,..., Ьт), t - время работы отдельного модуля.

Процесс производства комплекса удобрений, его интенсивность зависит от

уровня автоматизации Ау всей технологической линии. Допустим уровень

автоматизации характеризуется конечным множеством базисных технологических

способов = 1,2, ...,т, каждому из которых соответствует интенсивность его использования на базе модульных установок. Интенсивность работы модульного оборудования рассматриваемого технологического процесса можно представить 1-мерным вектором

У = (у1,у2,... ,Улг), компоненты которого неотрицательны и характеризуют интенсивность использования соответствующей модульной установки. Для характеристики системы с технологической стороны следует указать также векторные функции [97]:

ЫП = (^(У).....КШ(У)) (2. 6)

г^) = (г1^).....гт^)) (2. 7)

где - вектор объемов выпускаемых комплексных удобрений при

поддержании технологического процесса на уровне интенсивности У, г (У) - вектор затрат ресурсов, необходимых для обеспечения соответствующего уровня автоматизации технологического процесса с интенсивностью У. Тогда рассматриваемая система полностью характеризуется векторами У, г (У).

Пусть критерий эффективности системы определяется объемом выпускаемых комплексных удобрений и выражается соотношением [98]:

I

= (2.8)

¿=1

где Ж - вектор коэффициентов критерия эффективности.

Тогда задача управления технологическим процессом состоит в отыскании уровня интенсивностей У = (у1,у2, ...,Уау) доставляющего экстремум функционалу (2. 9):

I

(2.9)

¿=1

Зависимость уровня автоматизации технологического процесса от коэффициент искусственного интеллекта модульного оборудования представляет собой функцию = /(^ИИ). Зависимость дисперсности готового

продукта 32 от концентрации гуминовых солей ^ представляет собой функцию 32 = Г(С±). Концентрация гуминовых солей в комплексных удобрениях зависит от характеристик исходного сырья, используемого для приготовления удобрений, таких как тип органического сырья Тв и дисперсность органического сырья 81, и представляет собой зависимость ^ = f(Tв,S1). Итоговая система уравнений примет вид:

^ т

р = 1 ^

) = 1

< Кщ. = (Kжl,Km2,.^^,Kжm), (2.10)

Уьеск = тК Я1,Я2,-,Ят), С1=ПТМ, {52 = ПС1).

Полученная математическая модель представляет собой систему уравнений, при решении которой необходимо использовать общеизвестные численные методы (например, метод Ньютона). Для поставленной задачи целесообразно использовать программные обеспечения с модульным подходом, такие как Ма1ЬаЬ или МаШСаё. Данные программные обеспечения предназначены для выполнения инженерных и научных расчетов и высококачественной визуализации получаемых результатов. Эти системы применяются в математике, вычислительном эксперименте, имитационном

Система (2.10) представляет собой перечень математических зависимостей, характеризующих влияние различных технологических параметров рассматриваемых модулей на производственный процесс. Данный математический подход при усовершенствовании самого математического аппарата (системы) позволит в дальнейшем обосновать оптимальную структуру линии производства органических удобрений исходя из индивидуальных требований каждого заказчика. Усовершенствование математического аппарата должно коснуться динамического описания самих гидромеханических и механических процессов,

проходящих в рассматриваемых модулях. Описание гидромеханического процесса в гидромеханическом модуле представлено в разделе 2.3.

2.3 Апробация системы уравнений, описывающая работу технологической линии по производству комплексных удобрений

В данном разделе представлены результаты работы математической модели, согласно системе уравнений (2. 5). Моделирование работы технологической линии позволяет рассчитать дисперсность суспензии на различных этапах работы рассматриваемого технологического процесса производства комплексного удобрения. При моделировании, в качестве единицы измерения геометрических размеров и массы частиц приняты микрометры и миллиграммы соответственно. На рисунке 2. 3 представлена технология формирования дисперсности в суспензии органического сырья на различных этапах работы рассматриваемого технологического процесса приготовления комплексного удобрения

Модуль весового дозирования

Гидромеханический модуль

Модуль по переработке суспензии

Технология формирования дисперсности в суспензии органического сырья

Рисунок 2. 3 - Схема технологии формирования дисперсности в суспензии органического сырья

Из рисунка 2.3 видно, что дисперсность растет, что приводит к снижению массы частиц органического сырья. На рисунке слева-направо представлен схематический вид частиц органического сырья, на первом этапе в модуль весового дозирования поступает органическое сырье с дисперсностью 5000 - 6000 мкм., далее на гидромеханическом модуле дисперсность возрастает до 200 - 250 мкм., в модуле по переработки суспензии дисперсность достигает 0 -100 мкм. Это обусловлено тем, что гидромеханический модуль и модуль по переработке суспензии как раз и предназначены для повышения дисперсности органического сырья. Данный эксперимент доказывает, что разработанная математическая модель хорошо согласуется с реальным технологическим производствам и может быть использована для теоретических и инженерных расчетов. На рисунке 2. 4 показана зависимость дисперсности органического сырья 8Ъ для четырех различных типов органического сырья.

к, Тип 1

1 "ип 2

Тип 3

Тип 4

_^

СО «

Л

а 3 о

о и О И о

<D

К

Л О л н о о я

о а

<D

а

о -

Время работы технологической линии

Рисунок 2. 4 - Зависимость дисперсности органического сырья от времени работы

технологической линии

На рисунке 2. 4 видно, что дисперсность суспензии органического сырья увеличивается в течении работы технологической линии. Вышеуказанная

закономерность сохраняется в независимости от используемого типа органического сырья.

Разработанная математическая модель может быть использована для выбора параметров режимов востребованного технологического оборудования для сборки технологических линий по производству удобрений. Для этого был разработан алгоритм и программа ЭВМ по выбору промышленных модулей для разработки новых технологических линий на основе модульного оборудования и цифровых технологий. В основе программы ЭВМ лежит «База данных инновационного оборудования» формирование (обучение) которой производится за счет моделирование различных технологических процессов производства комплексных удобрений. На рисунке 2.5 представлена структурная схема обучения «Базы данных инновационного оборудования» программы ЭВМ математической моделью. Благодаря представленной программы ЭВМ оборудование выбирается с учетом его универсальности и модульности.

Рисунок 2.5 - Структурная схема обучения «Базы данных» программы ЭВМ

математической моделью

Инновационность представленного подхода заключается в том, что разработанная программа ЭВМ, благодаря своему уникальному алгоритму и наличия базы данных инновационного оборудования, сформированной на базе апробированной математической модели, позволяет создавать новые или проводить модернизацию старых производств комплексных удобрений с экономией денежных и временных ресурсов за счет использования модульного оборудования, предлагаемого на рынке машиностроительными предприятиями. Программа дозирования элементов не взаимосвязана с математической моделью, является полностью автономной системой.

2.4 Математическое описание гидромеханических процессов в гидромеханическом модуле и система уравнений движения потока воды и ее взаимодействие с твердыми частицами органического сырья в гидромеханическом очистителе и реакторе

Для составления гидромеханических зависимостей движения потока теплой воды и суспензии органического сырья необходимо задаться местом взаимодействия этих исходных величин. При работе гидромеханического модуля и модуля переработки суспензии в реакторе, частички органического сырья и весь объем теплой воды находятся в постоянном движении за счет таких механизмов, как рассекатель, нагнетающий патрубок, смеситель, циркуляционный насос и дисмембратор.

При взаимодействии движущегося потока воды в емкости подготовки органического сырья в гидромеханическом модуле и в реакторе при активированном дисмембраторе возникает сила трения (или касательное напряжение, если силу трения отнести к площади взаимодействия). В потоке воды основной движущей силой является сдвигающая проекция силы тяжести. Ей противодействуют две силы, обусловливающие сопротивление потока со стороны самой жидкости (вязкость) и со стороны дна или поверхности трубопровода. Важно отметить, что вклад этих сил в скорость движения потока различен. Наибольший вклад в уменьшение скорости движения потока привносит сила, обусловленная

неровностями поверхности и силами, возникающие со стороны архитектуры строения модульных устройств технологического процесса приготовления удобрений. В двух- и трехмерных гидродинамических моделях необходимо вводить функцию взаимодействия между вертикальными и горизонтальными слоями жидкости, что дает возможность учесть обмен импульсами между слоями жидкости, создаваемые в том числе смесителем в гидромеханической установке и дисмембратором в модуле переработки суспензии. Именно эти импульсы учувствуют в разрушении целостности органического сырья, превращая его в суспензию. Выражение для силы трения между слоями движущейся жидкости

может быть представлено в виде формулы Ньютона [99].

р = ^ (211)

где ц - динамический коэффициент вязкости, [кг/(мс)]; Б - площадь соприкосновения слоев, [м2]; д8/дh - градиент скорости, [(м/с)/м].

При взаимодействии движущегося потока и поверхности возникает сила трения (или касательное напряжение, если силу трения отнести к площади взаимодействия). Антуаном Шези в 1769 г. была получена формула для оценки касательных напряжений, в связи с чем воспользуемся данной зависимостью для описания потока в емкости подготовки органического сырья:

А2

т = рд^> (2.12)

где р - плотность жидкости, [кг/м3]; д — ускорение свободного падения, [м/с2]; 8 — средняя скорость потока, [м/с]; С — коэффициент Шези, [м0,5/с]. Очевидно, что коэффициент Шези определяется многими факторами. Возможно, это стало причиной того, что существует несколько сотен эмпирических формул расчета коэффициента Шези и множество способов оценки параметра шероховатости поверхностей, по которым течет вода, входящего в формулу расчета этого коэффициента. Однако исследователи отмечают, что в целом течение воды на поверхности не влияет на сопротивление движения воды в условиях

гладких поверхностей. Сопротивление формы в открытых потоках может быть описано посредством формулы Буссинеска [100,101].

д-92

где ^ — отнесенная к единице веса жидкости фиктивная сила добавочного сопротивления расширяющихся водоводов, [кгм/с2)/кг]; в — коэффициент добавочного сопротивления расширяющихся объемных потоков, [м/с2]; д — средняя скорость в поперечном сечении, [м/с]; 1 — продольная координата, [м]. Причем, в > 0 при (дд2/д1) <0 и в = 0 при (дд2/д1) > 0.

Математическое представление гидравлического сопротивления в гидродинамических моделях, как правило, сводится к коэффициенту трения между подстилающей поверхностью (в нашем случае покров органического сырья, «расстилающийся» например в емкости подготовки органического сырья) и потоком. Это представление, с одной стороны, удобно тем, что в одном члене уравнения, в одном множителе сведена вся информация о взаимодействии всех неровностей и потока. Однако, с другой стороны, очевидно, что эта связь многофакторная и нелинейная. Поэтому сводить ее описание в один коэффициент трения представляется некорректным. Одним из вариантов описания взаимодействия потока и неровностей покрова органического сырья на дне емкости подготовки органического сырья может быть сравнительно детализированное представление механики этого процесса. При этом важно принимать во внимание:

- процесс следует рассматривать в рамках принятого пространственно -временного масштаба;

- количественную оценку силы сопротивления дна емкости подготовки органического сырья потоку можно получить непосредственно из физико-механических свойств загружаемого органического сырья.

На рисунке 2.6 схема графического представления емкости подготовки органического сырья гидромеханического модуля

Рисунок 2.6 - Графическое представление емкости подготовки органического

сырья гидромеханического модуля

Такой подход проиллюстрирован в математической модели движения воды и твердого вещества [102,103,104]. Основное уравнение модели получено на основании баланса сил, действующих в потоке. В рамках рассматриваемой параметры модели — угол внутреннего трения и сила сцепления частиц органического сырья между собой — определяются физико-механическими свойствами покрова, а величины этих параметров представлены в строго определенных диапазонах. Основное уравнение математической модели движения воды и частиц органического сырья в потоке имеет вид [102,103,105] (см. рисунок 2.3):

(1 - О (тд

дН

адч

- Ыаатч — + ^ас{:тчд - с5 = 0. (2.14)

Где / — коэффициент внутреннего трения, [б/р]; т — масса объема воды, заключенного между двумя расчетными створами емкости подготовки органического сырья, [кг]; д — ускорение свободного падения, [м/с2] ; — уклон поверхности; Н — глубина потока, [м]; Ь — расстояние, [м]; д — средняя скорость потока, [м/с]; t — время, [с]; Мас1: — количество перемещаемых частиц в потоке; тч — масса частицы, [кг]; т9ч — скорость движения частицы, [м/с]; с — сцепление частиц органического сырья при сдвиге, [кг/(м с2 )]; 5 — площадь приложения силы, [м2].

Уравнение движения воды и частиц органического сырья замыкается уравнениями неразрывности потока, равнодействующей скорости движения частиц и баланса кинетической энергии потока воды и твердого вещества. В

рассматриваемой модели все процессы рассматриваются как квазистационарные, т.е. такие, при которых во всех точках объема полости предлагаются одинаковые параметры (давление, температура и плотность). На рисунке 2.7 представлено распределение скоростей согласно принадлежности слоев к потоку.

Рисунок 2.7 - Распределение скорости движения потока воды Из рисунка 2.7 следует, что поток, который находится ближе к стенкам емкости подготовки органического сырья имеет наименьшую скорость, нежели поток воды, который удален от нее. Для упрощения задачи пренебрегаем теплообменом с окружающей средой. Традиционной системой дифференциальных уравнений, описывающие движение жидкости является систем на базе уравнений Навье-Стокса. В рамках рассматриваемой модели, система уравнений состоит из двух уравнений, а именно:

- уравнения движения;

- уравнения неразрывности.

В векторном виде они записываются следующим образом [106]:

=-($•¥)$ ++ (2.15)

Где V — оператор набла, А — векторный оператор Лапласа, t - время,

£ - коэффициент кинематической вязкости, р - плотность, р — давление,

—» -»

д = (д1; ■ ,дп)— векторное поле скорости, f — векторное поле массовых сил. Неизвестные р и д являются функциями времени t и координаты х Е П, где П Е Rn, п = 2 или 3 - плоская или трехмерная область, в которой движется жидкость.

С учетом того, что поток жидкости сообщен с атмосферой следует систему уравнений дополнить уравнением несжимаемости:

У^З = 0.

Баланс сил в потоке расписывается следующим образом:

Г _ Г _ Г — Г)

гтп гс гв 0,

Где гтп — сдвигающая проекция силы тяжести потока, [Н]; Гс — сила сопротивления частиц органического сырья сдвигу, [Н]; Гв - силой вязкости, [Н]. А уравнение (1.4.1) примет вид:

дд

(1-/)тд/-с5-д5—- = 0. (2.16)

да

Система уравнений, описывающая процесс движения потока воды в емкости гидромеханического модуля, реакторе и взаимодействия с твердыми частицами органического сырья, примет вид:

г с3«

«2

т = рдт2

= -в "

С2'

о д«2

в > 0 при — < 0,

в = 0 при — < 0, (2.17)

2gдl'

(1 - /)тд/ - с5 - = 0,

д« д

г

д« = -(З • У)З + гДЗ -1 Ур + /,при V • З = 0,

- гс - гв = 0.

тп

Система (2.11) представляет собой набор зависимостей и уравнений на базе формул Ньютона, Антуана Шези, Буссинеска, Навье-Стокса и законов гидромеханики, в совокупности, которые представляют собой систему, описывающую механику движения потока воды и ее взаимодействие с твердыми частицами органического сырья в гидромеханическом модуле и реакторе.

Уникальность данной модели заключается в том, что она впервые предложена автором и может быть использована при рассмотрении ключевых вопросов формирования суспензии с необходимой дисперсностью в указанных модулях.

Представленная математическая модель, основывается на некотором упрощении, не является тождественной рассматриваемой технологической линии, не передаёт всех ее свойств и особенностей, а является ее приближённым отражением, хорошо согласуется с реальным технологическим производством и может быть использована для теоретических и инженерных расчетов.

2.5 Актуальность использования модульного оборудования с наличием искусственного интеллекта при синтезе новых технологических линий

Новые черты, характерные для современного этапа развития науки об автоматике, связаны с переходом от автоматизации отдельных машин, операций или агрегатов к автоматическим линиям, к комплексной автоматизации производственного процесса [107].

Как отмечают специалисты в данной области исследований, основной целью автоматизации является повышение качества исполнения технологического процесса [108,109,110,111], Автоматизированный процесс обладает более стабильными характеристиками, чем процесс, выполняемый в ручном режиме.

Автоматизация и цифровизация оборудования при разработке технологических линий - это возможность решить проблемы:

- контроля качества переработки органического сырья как на отдельной технологической операции, так и по всем технологическим переделам;

- повысить производительность технологической линии;

- использовать инновационное оборудование с встроенным программным интеллектом.

Установка автоматизированной системы управления (АСУ) позволяет при разработке химико- технологических процессов на технологической линии создать алгоритм контроля за работой оборудования, чтобы оптимизировать процесс производства, внедрить автоматическую систему транспортировки для подачи сырья, очистки (фильтрации) готового продукта - гуминовых удобрений,

дозирование необходимых реагентов и микроэлементов при производстве комплексных удобрений и перекачке готовой продукции в накопительную емкость.

Автоматизация технологической линии предполагает модернизацию оборудования и совершенствование подконтрольного хода сложных химико-технологических процессов, с использованием различных автоматических устройств (контроля, регулирования, сигнализации), а также автоматическое управление пуском и остановкой аппаратов в критических ситуациях и для ремонтных работ.

В связи с этим при разработке и эксплуатации промышленных технологических линий, где выполняются химико - технологические процессы при переработки органического сырья - торф, бурый уголь, сапропель и биогумус исключительное значение придается вопросам обеспечения надежного контроля над ходом технологического процесса. Для решения этих задач необходимы современные цифровые приборы и микропроцессорные контроллеры, что позволит управлять процессом через ПЭВМ. Рассмотрим подходы по автоматизации технологической линии, и возможности автоматизировать выбор модульного оборудования на основе ПЭВМ для ее разработки и изготовления, на основе определенных критериев так как разработка новых технологических линий сегодня должна предусматривать и решение проблем автоматизации отдельных технологических операций.

Особенность нашего подхода к автоматизации основана на исследование результатов работающих технологических линий, их модернизации и совершенствование технологических процессов.

Данный подход позволил выявить узкие места в конструкции технологической линии, а также отдельного оборудования, установленного на конкретной технологической операции и не допустить их повторения при разработке новых технологических линий.

На стадии разработки технологической линии должен определяется уровень сложности внедряемой системы автоматизации. Основные функции, которые согласовываются с заказчиком это:

- технический уровень и актуальность модульного оборудования для включения в состав технологической линии (электроприводы, дисмембратор, дезинтегратор, водоподогреватель, насосы, оборудование для фильтрации и т. д.);

- перечень основных технологических операций для автоматизации (загрузка сырья, контроль подготовки суспензии, время работы реактора и т. д);

- система контроля потребления электроэнергии, воды, щелочи, дозирования микроэлементов и т.д.;

Сами данные, отправленные контрольными устройствами, должны накапливаться и перенаправляться в графический рисунок или таблицу на мониторе оператора.

Цели достигаются посредством решения следующих задач автоматизации технологических операций на линии:

- при разработке технологических линий предлагается ввести и учитывать коэффициент уровня искусственного интеллекта (К и. и.) модульного оборудования, адаптированного к существующим системам управления технологическими процессами;

- высоким техническим уровнем вооруженности труда оператора по управлению технологическим процессом;

- наличие достоверной информации у оператора о материальных компонентах, применяемых в производстве;

- наличие банка хранение информации о ходе технологического процесса для принятия оператором не стандартных решений при аварийных ситуациях или корректировке технологического процесса без потерь качества при переработке сырья;

- системы управления автоматизацией технологических операций на технологической линии с использованием искусственных нейронных сетей (ИНС).

Современные технологии и нейрокомпьютеры через 10-15 лет вплотную приблизятся по своим возможностям к человеческому мозгу благодаря стремительному развитию нейросетей и искусственного интеллекта в целом.

В последнее время функции систем автоматизации непрерывно расширяются. Все чаще в их задачу входит автоматическая перенастройка оборудования при изменении условий работы с целью получения наиболее эффективных, оптимальных режимов работы установок.