Усовершенствованные модели и алгоритмы для исследования процессов фильтрования многокомпонентных смесей

Аннотация

Актуальность и востребованность темы диссертации. В мире особое внимание уделяется автоматизации технологических процессов производства сельхозпродукции, ее очистки и переработки. «По данным Продовольственной и сельскохозяйственной организации (FAO) ООН, объем мирового производства зерна в 2015 году составил более 2,5 млрд, тонн и этот показатель каждый год увеличивается за счет применения новых инновационных технологий»1. Многими странами мира, в том числе США, Китаем, Германией, Японией, Южной Кореей, Великобританией, Россией, а также Узбекистаном проводятся научные исследования по компьютеризации производства сельхозпродукции, ее первичной переработке. В мире ведутся научно-исследовательские работы с использованием информационно-коммуникационных технологий, направленные на усовершенствование технологических процессов при глубокой переработке сырья, разработке новых очистительных агрегатов и машин, а также на повышение их производительности. В этой связи, в частности, управление технологическими процессами очистки многокомпонентных смесей в динамическом режиме на основе математических моделей, проведение вычислительных экспериментов, разработка новых технологических способов и средств сепарирования трудноразделяемых смесей с учетом различных внешних и внутренних воздействий на технологический процесс входят в число важнейших задач. В нашей республике особое внимание уделяется глубокой переработке сырья, повышению качества продуктов и автоматическому управлению технологическими процессами очистки с применением инновационных технологий. В этом направлении, в частности, проведены научные изыскания по математическому и численному исследованию технологических процессов первичной очистки, сортирования, сепарирования и фильтрования сельхозпродукции и получены значительные результаты. Наряду с этим особую значимость имеют внедрение информационно-коммуникационных технологий в отрасли, разработка новых агрегатов, усовершенствование существующих, повышение их производительности и качества конечного продукта. В Стратегии действий по пяти приоритетным направлениям развития Республики Узбекистан в 2017-2021 годах отмечен ряд задач, в частности: «... переработка мясомолочных и фруктово-овощных продуктов, глубокая переработка цветных и драгоценных металлов, глубокая переработка химического сырья, ... применение информационнокоммуникационных технологий в системе экономики и управления»2. Выполнение указанных задач, в частности, разработка математических моделей и численных алгоритмов технологических процессов очистки многокомпонентных смесей считается одной из важнейших задач. Данное диссертационное исследование в определенной степени служит выполнению задач, указанных в следующих законодательных актах: Указ Президента Республики Узбекистан №УП-4947 от 7 февраля 2017 г. «О Стратегии действий по дальнейшему развитию Республики Узбекистан», Постановление правительства Республики Узбекистан №ПП-2505 от 5 марта 2016 г. «О Мерах по дальнейшему развитию сырьевой базы, углублению переработки плодоовощной и мясомолочной продукции, увеличению производства и экспорта продовольственных товаров в 2016-2020 годах», Постановление правительства Республики Узбекистан №ПП-1989 от 27 июня 2013 г. «О мерах по дальнейшему развитию Национальной информационно-коммуникационной системы Республики Узбекистан», Постановление Кабинета Министров Республики Узбекистан №24 от 1 февраля 2012 г. «О Мерах по созданию условий для дальнейшего развития компьютеризации и информационно-коммуникационных технологий на местах» и в других нормативно-правовых документах, принятых в данной сфере. Целью исследования является усовершенствование математических моделей и разработка численных алгоритмов для прогнозирования и управления нестационарным технологическим процессом сепарирования и фильтрования многокомпонентных смесей с учетом их физико-механических свойств. Научная новизна исследования заключается в следующем: усовершенствованы математические модели и разработан вычислительный алгоритм технологического процесса сепарирования сыпучих смесей в центробежном сепараторе с учетом диаметра частиц, коэффициента формы частиц и сопротивления воздуха; на основе законов гидродинамики разработана двухмерная математическая модель для определения изменения концентрации смесей с учетом скорости движения частиц по горизонтали и вертикали на плоском вибросите, а также разработан вычислительный алгоритм для проведения численных экспериментов; на основе преобразований Лапласа и Фурье усовершенствован метод определения опытного параметра коэффициента бародиффузии без проведения лабораторного эксперимента в технологических процессах ионообменного фильтрования; усовершенствованы математические модели для четырех случаев процесса ионообменного фильтрования путем учета изменений толщины слоя осадка по времени и разработаны вычислительные алгоритмы с помощью векторно-разностного метода; усовершенствован метод решения обратной задачи технологического процесса фильтрования жидких ионизированных растворов с учетом физикомеханических свойств многокомпонентных смесей путем введения полинома Чебышева; создано программное средство на основе разработанных математических моделей и вычислительных алгоритмов технологических процессов очистки многокомпонентных смесей. Заключение На основе выполненных научно-исследовательских работ по теме докторской диссертации «Усовершенствованные модели и алгоритмы для исследования процессов фильтрования многокомпонентных смесей» представлены следующие выводы: 1. Разработаны математическая модель, вычислительный алгоритм и программное средство технологического процесса сепарирования сыпучих смесей в центробежном сепараторе. Они служат для определения диапазонов изменения и прогнозирования параметров сепаратора с центробежным классификатором с учетом физико-механических свойств смеси. 2. Разработана компьютерная модель процесса сепарирования смесей на вибросите с учетом стеснённого движения частиц. Полученная компьютерная модель обеспечивает возможность правильного выбора параметров очистительных агрегатов в процессе сепарирования трудноразделяемых смесей. 3. Разработаны двухмерная математическая модель процесса сепарирования смесей на плоском наклонном вибросите, вычислительный алгоритм решения задачи и соответствующее программное средство. Разработанное программное обеспечение дает возможность определения изменения концентрации целевого продукта и скорости прохода частиц сквозь сито плоского виброрешета. Внедрение результатов научно-исследовательской работы в Государственном производственном предприятии «Урганч махсус санитар транс» обеспечило возможность увеличения производительности очистительных агрегатов и машин на 5-6 % и уменьшения капитальных затрат на 8-9 %. 4. Разработан метод определения коэффициента бародиффузии и давления внутри ионообменной колонны в процессе фильтрования жидких ионизированных растворов. Полученный метод позволяет определять значение опытного параметра коэффициента бародиффузии без проведения многозатратных лабораторных экспериментов, а также срок службы фильтра. 5. Разработаны математическая модель, вычислительный алгоритм и программное средство для четырех случаев технологического процесса фильтрования жидких ионизированных растворов. Разработанный инструментарий позволяет определять концентрацию ионов на поверхности, внутри и на выходе фильтра, а также определять значение давления внутри ионообменной колонны. Внедрение результатов научно-исследовательской работы в Управлении магистральных систем «Зарафшон» за счет правильного подбора параметров очистительных агрегатов обеспечило возможность увеличения их производительности на 8-9 %. 6. Внедрение и использование разработанного математического и программного обеспечения дают возможность правильного подбора параметров очистительных агрегатов в ходе производственных процессов в Управлении магистральных систем «Зарафшон» Самаркандской области, на предприятиях «Лаззатли ДОН» города Самарканда, «Урганч махсус санитар транс» города Ургенча и Машинотракториый парк «Улугбек обод» города Питнака.