Секреты изобретательства. 6. Гибкая и адаптивная техника

Для читателей, которых заинтересовала эта серия постов о новой методике изобретательства, хочу отметить, что изложен до предела упрощенный и, если так можно сказать, детехнизированный вариант методики. В технике все гораздо сложнее, поэтому так мало стартапов создаются для реализации новых промышленных установок, связанных не только с фасовкой и упаковкой кем-то произведенной продукции, но и непосредственно ее производством из природного сырья. Наиболее трудной для изобретателя областью всегда была химическая промышленность во всем ее многообразии.

В этом предпоследнем сообщении этой серии постов мы поговорим лишь об одной группе конкретных средств и методов изобретательства из достаточно большого числа известных или разработанных автором. В связи с принятым во многих странах курсом на перестройку экономики в связи с переходом к рыночным условиям работы, особенно актуальными для изобретателей становятся задачи создания высокоэффективного и высокоинтенсивного оборудования, принципиально новых интенсивных, эффективных,мало‐ и безотходных технологий. Однако, в связи с рыночными условиями, в которых придется работать экономике даже после ее реформирования, становятся важными не только эффективность и интенсивность техники, но и обеспечение ее гибкости и адаптивности (с учетом постоянно меняющихся потребностей и свойствах продукции, колебания цен на сырье и энергию, колебаний условий логистики, оплаты труда, валютного курса и т.д.). Непрерывно вносить требуемые рынком изменения в жесткие технологию и аппаратурное оформление химических производств, прежде всего, многономенклатурных, практически невозможно. Целесообразно предусмотреть эту необходимость уже при создании или реконструкции производств. Оптимальным решением является создание гибкой, приспосабливающейся к условиям работы техники за счет конструкции оборудования, широких диапазонов изменения рабочих режимов работы. В этом случае можно даже позаимствовать у медиков термин "адаптивность" (в смысле "приспособляемость") техники.

Рассмотрим в качестве примера, как решить такие задачи на примере наиболее близкой автору химической отрасли производства, прежде всего, для малотоннажной химии (химические реактивы, особо чистые вещества, лекарственные препараты, БАДы и др.). Без новаций технологий и оборудования невозможно решить задачи по резкому увеличению производства ряда химических продуктов, техническому перевооружению и созданию новых производств, материалов с заранее заданными свойствами, в том числе сверхчистых, увеличению выпуска и расширению номенклатуры малотоннажной продукции, прежде всего продукции органического синтеза и др.

В этом посте освещены лишь некоторые направления работ в этом направлении. Заметим, что работы по обеспечению гибкости и адаптивности химической техники неразрывно синергетически связаны с работами по увеличению интенсивности и эффективности, ибо чаще всего используются близкие средства и методы реализации факторов влияния.. Эти задачи могут быть успешно решены только при условии реализации комплексного подхода и одновременном решении всего круга вопросов создания оптимальных технологий и аппаратуры для новых и технического перевооружения действующих производств. Эта концепция создания новых технологических процессов и оборудования для их реализации основана на том, что процесс синтеза оптимальной химико‐ технологической системы (XТС) рассматривается как ряд последовательных приближений, в начале которого проводится выбор оптимальных методов проведения процесса и конструктивных решений, преимущественно на лимитирующих уровнях, на основе тех или иных локальных критериев оптимизации (технических, технико‐экономических или экономических в зависимости от масштаба лимитирующего уровня). Лишь затем приступают к наиболее сложному этапу — синтезу всей ХТС с учетом взаимосвязи, взаимовлияния отдельных ее элементов.

При переходе от проектирования отдельных аппаратов к проектированию систем возникает целый ряд проблем, связанных с необходимостью учета взаимосвязи элементов структуры системы. Методики синтеза сложных ХТС, учитывающие указанную взаимосвязь, в особенности при использовании совмещенных процессов, пока разработаны недостаточно. По‐видимому, единственной возможностью учесть указанные эффекты, возникающие при синтезе сложных ХТС, является синергетическое сочетание, переплетение, одновременное проведение процессов проектирования (синтеза) ХТС, в том числе автоматизированного (с помощью САПР), и исследования технологических процессов, в том числе, автоматизированных с помощью АСНИ), с целые оптимизации их параметров и конструирования оптимальных для реализации данных процессов аппаратов. Такой комплексный подход может быть реализован только при одновременной работе проектировщиков совместно со специалистами по процессам и аппаратам, химиками‐ технологами, а также специалистами по математическому моделированию и использованию итеративных процедур в логической схеме проектирования . В перспективе речь идет о единстве АСНИ, САПР и АСУТП.

Автором методики с учениками предложен комплексный подход к созданию сложных химико‐технологических систем, основанный на одновременном использовании традиционных и впервые предложенных режимно‐технологических (РТ) и аппаратурно‐конструктивных (АК) методов интенсификации, обеспечении синергетического единства технологии и аппаратурного оформления, в том числе за счет использования модульного принципа при компоновке (агрегатировании) химико‐технологических аппаратов из самостоятельных блоков — унифицированных модулей.

Многие из излагаемых положений апробированы и внедрены в виде непрерывных технологических процессов для получения веществ с заданными свойствами, новых конструкций массообменных, а также комбинированных реакционно‐массообменных аппаратов. Наиболее широко использовались различные методы создания колебаний контактирующих фаз, соответствующих по амплитуде и частоте частоте и амплитуде собственных колебаний объекта совершенствования на лимитирующем уровне. Ранее отмечено, что этот принцип получил название принципа соответствия или гармонии и успешно использован в большом количестве практически важных случаев. При этом очень часто удавалось найти технические средства решения задач создания колебаний определенной частоты без использования сложных систем управления технологическими потоками. К примеру, низкочастотные колебания жидкой фазы в массообменных колоннах создавались путем установки пульсирующих сифонных оросителей, схема одной из конструкций которых показана на рис. 1.

Рис. 1 – Ороситель

1— сливной патрубок; 2 — отбойник; 3 —корпус; 4 колпачок

Колебания более высокой частоты создавались, разработанными автором различными клапанными контактными устройствами, которые в зависимости от скорости газа, массы и геометрических размеров клапана создавали колебания частотой от 2 до 30 1/с , амплитудой от 0,1 до 2 мм.

На рис.2 показаны колебания клапанной пластины и изменение угла выхода газовой струи из‐под клапана. Видно, что колебания существенно меняют величины зоны контакта между жидкостью и газом, в процессе участвует большая масса турбулизированной газовым потоком жидкости, что приводит к улучшению характеристик не только в локальной приклапанной зоне, но и всей массообменной тарелки.

Рис. 2 – Колебания клапана контактного устройства

Однако, кроме массообменных характеристик появляется возможность управлять гибкостью как самих контактных элементов, так и всей тарелки. Попробую немного поднять настроение подуставшего читателя этой статьи.

Написал как‐то небольшую статью о колебаниях клапана. Назвал ее с претензией на оригинальность “Поэма о колебаниях в технике”. Даже эпиграф поставил ‐ “Со свиным рылом в калашный ряд” (http://dslov.narod.ru/fslov/f543.htm) . Позвонил мне знакомый медик. Возмущался завершающей мою ”креативную” серию публикацией об использовании колебаний для решения проблем здоровья. В качестве своего мотива привел достаточно грубое замечание, сводившееся к тому, что – дилетант и лезу не в свои дела. А потом привел поговорку, вынесенную мной в эпиграф к данной статье. (Калашный ряд ‐ это торговый ряд, на котором продаются хлебные изделия (калачи). Выражение имеет в виду ситуацию, когда в калашный ряд кто‐либо приходит торговать свининой и продавцы калачей делают ему замечание, что он пришел не туда и занимается тем, что ему здесь делать не положено). В оправдание я хотел было привести знакомому много примеров, когда креативные дилетанты совершали переворот в различных направлениях деятельности. Но, подумав, решил быть конструктивным, не уподобляться нашим политикам и не затевать склоку, а продолжить эту затянувшуюся, в самом деле, “креативную” серию хотя бы парой публикаций с примерами использования системных методов в технике. Вы читаете первую из них.

На этот раз вернемся к технологии и оборудованию (их синергетическое сочетание обычно называют единым термином “техника”), совсем даже не только к химическим. Техника, о которой я дальше буду писать, впервые была применена человеком при изготовлении спиртных напитков типа самогон, по‐ моему до нашей эры (шучу, конечно, но достаточно давно). Речь будет идти о массообменной технике, прежде всего, для наиболее распространенных систем газ (пар) ‐ жидкость. Предприятия химической и родственных отраслей промышленности ассоциируются у нас с огромными высокими аппаратами, называемыми ”колоннами” (самогонные аппараты имеют примерно тот же принцип действия, но в них сеанс обмена веществом между паром и жидкостью происходит однократно, а в колоннах – десятки, а то и сотни раз по мере продвижения потоков жидкости и пара, соответственно вниз и вверх по аппарату). Легко написать об этой премудрости колонн, а попробуй ее реализовать. Это надо делать в каждой ступени контакта потоков фаз – как можно более равномерно распределить и привести в тесный контакт (попросту перемешать) паровой и жидкий поток (мы будем рассматривать только наиболее прогрессивные тарельчатые аппараты, хотя есть и много других, так называемых насадочных аппаратов). Для этого предназначены так называемые контактные устройства, от совершенства конструкции которых зависит эффективность технологического процесса. Вот теперь с минимальными упрощениями разобрались с технологией и терминологией и можем перейти к декомпозиции системы по вертикали (для экономии места, разместим иерархическую цепь горизонтально). Не буду пояснять, тут все просто, иерархическая лестница имеет вид: 1. установка> 2. колонна> 3. ступень контакта фаз> 4. контактная тарелка> 5. контактное устройство> 6. факел (струя) газа/ пара> 7. пузыри, оторвавшиеся от факела, образующие пену> 8. надмолекулярные конгломераты> 9. Молекулы. Длинная цепочка/лестница получилась, не правда ли.

Двигаемся по алгоритму дальше. Анализ многовекового опыта показывает, что исходным уровнем является 5‐й – контактное устройство. В самом деле, не начинать же нам креативное деяние с первых четырех – они есть в любых производствах и там можно оптимизировать только болты – гайки, материал, вес, прочность, эстетику, антикоррозионную защиту и т.п. Оставим все это конструкторам – эстетам, а займемся движением от 5 исходного уровня вниз по иерархической лестнице. Многочисленные кинетические исследования (в моем архиве – десятки диссертаций по этому поводу) показали, что определяют, лимитируют технологию массопереноса процессы на 6 и 7 уровнях. Вот уж где можно порезвиться креативному человеку! Но, проблема в том, что использовать только технологические приемы (мы их называли ранее ”режимно – технологическими ‐ РТ” методами) недостаточно. Ну, можем «подергать” температуру и скорость, можем как‐то изменить вязкость жидкости и поверхностное натяжение. Вот и все. А, вот для более глубоких изменений придется привлечь 5‐й уровень – контактное устройство, ведь то, что происходит с помощью его конструкции, определяет кинетические характеристики процессов массообмена (проще скорость, интенсивность) на 6 и 7 уровнях. Делаем вывод, что нужно наградить титулом ”лимитирующий ” сразу три уровня – с 5 по 7. К сожалению, в технике это случается часто. Именно, изменяя конструктивное оформление контактного устройства, мы сможем изменить кинетические характеристики (в данном случае, коэффициенты массоотдачи, массопередачи и к.п.д. взаимодействия). При этом возможно конструктивными ухищрениями создать целый ряд новых эффектов, которые мы не смогли бы реализовать только на 6 и 7 уровнях иерархии. К примеру, можно организовать соударение потоков контактирующих фаз, увеличить длину линии барботажа, создать колебания факела в момент его входа в жидкость, обеспечить постоянную оптимальную скорость входа пара/ газа на входе в слой жидкости независимо от скорости его подачи в аппарат. Иными словами, можно организовать то самое единство режимно – технологических и аппаратурно – конструктивных факторов воздействия на систему, о необходимости которого мы уже неоднократно говорили. Это и есть главный признак реализации системного подхода.

Итак, только рассуждая, мы уже фактически нашли много направлений решения задач оптимизации массообменной техники. Давайте рассмотрим конкретные примеры дальнейшей работы. Конструкций контактных устройств 5 уровня в мире придумано очень много. Только в моей базе данных их более тысячи. Спрашивается, зачем так много. Ответ простой – идет конкурентная борьба между машиностроительными предприятиями на огромном рынке массообменной аппаратуры (примерно 50% от всего химического и нефтехимического оборудования). Как потеснить на рынке корпорации, которые занимают свой сегмент десятки лет. Задача трудная, но решаемая только путем появления инновационных решений за счет использования креативных методов.

Наша научная школа по оптимизации тарельчатой колонной аппаратуры была достаточно широко известна в СССР и за его пределами, поскольку мы успешно конкурировали с, так называемыми, головными машиностроительным институтами в Москве, Ленинграде, Харькове, разрабатывая новые направления и конкретные высокоэффективные, а также обладающие высокой гибкостью (т.е.диапазоном устойчивой работы) и высокоинтенсивные конструкции контактных устройств. Кроме того, мы много работали над развитием так называемого блочно‐ модульного подхода к конструированию массообменной техники.

Особое внимание мы уделили развитию так называемых клапанных контактных устройств, впервые появившихся где‐то в 1940 г. в США. Они привлекли нас тем, что впервые обеспечили саморегулирование за счет того, что положение способного перемещаться по вертикали над отверстием в полотне тарелки клапана зависело от расхода пара/ газа через это отверстие. При изменении нагрузки на колонну (а это происходит постоянно) клапан поднимается или опускается и размер отверстия (кольцевой зазор между полотном тарелки и клапаном) обеспечивает более или менее постоянную скорость истечения струи газа, а, значит, стабильные оптимальные кинетические характеристики процесса при входе факела в жидкость. Мы уже знаем, что это является важной локальной характеристикой процесса на лимитирующем уровне, обеспечивающей оптимальные характеристики на более высоких уровнях. Это явление было известно до нас за счет работ немецких и американских специалистов. Однако, нам удалось в процессе креативной деятельности обнаружить и использовать в целом ряде систем новое, неизвестное ранее конкурентам явление. Суть его в том, что клапан не просто поднимается или опускается в зависимости от изменения скорости газа, но вследствие своей инерционности проскакивает положение равновесия (соответствующее расходу газа) и открывает или закрывает отверстие под клапаном больше, чем нужно. Давление под клапаном изменяется и нарушается равновесие двух сил, действующих на клапан – силы его веса и давления газа снизу на внутреннюю поверхность клапана. Вследствие этого, клапан начинает перемещаться вниз или вверх, чтобы это равновесие восстановилось. Дальше вследствие инерционности клапана явление повторяется и клапан совершает постоянные колебания относительно положения равновесия.

Последствия оказались очень интересными. За счет колебаний клапана начинаются пульсации факела (струи) газа, истекающего из – под него, а, значит, начал изменяться угол раскрытия кольцевой струи газа, которая теперь охватывала за счет колебаний переменный объем жидкости. За счет пульсаций струи отрыв пузырьков газа от нее происходил также в пульсирующем режиме и в самих образовавшихся пузырьках возникали колебания, частотой которых можно было управлять.

На поверхности струи и пузырьков возникали турбулентные пульсации, которые также способствовали повышению эффективности и улучшению кинетических характеристик процесса массообмена.

Каждый колеблющийся клапан (их на тарелке может быть много в зависимости от диаметра аппарата) становился генератором колебаний в жидкости, расположенной над ним.

Самое главное, что теперь появилась возможность сознательно генерировать в ступенях контакта практически любые колебания, не применяя для этого никакой новой техники, и управлять их характеристиками. Сразу возник вопрос, а какие колебания нужно создавать в аппарате. Если вы внимательно читали предыдущие сообщения, вы ответите сразу же – необходимо обеспечить выполнение принципа соответствия. Налагаемые колебания по частоте и амплитуде должны соответствовать по частоте и амплитуде собственной частоте и амплитуде элементов системы на лимитирующем уровне. Наступает эффект резонанса со всеми вытекающими последствиями.

Мы не нашли в литературе работ, посвященных этому вопросу (вернее двум вопросам – надо не только знать характеристики колебаний, имеющихся в системе, но и научиться управлять колебаниями клапанов). Вот этим и занялись мои аспиранты. Мы обнаружили, что в слое пены на тарелке преобладают элементы (пузырьки) диаметром 4 – 5 мм, имеющие частоту собственных колебаний порядка 10 гц. Значит, близкую частоту должны иметь налагаемые на систему вынужденные колебания клапанов. Решение нашли математически (напрасно я ругал математиков за то, что чаще всего их модели никто не использует). Оказалось, что частотой колебаний клапанов можно легко управлять, изменяя их массу. При этом масса каждого клапана должна была быть при диаметре 50 мм примерно 50 г. Интересно, что позже к подобным выводам об оптимальной массе клапана (без всякого, даже элементарного выяснения причин) пришел мой немецкий конкурент Клаус Хоппе после многолетних дорогих исследований эффективности колонных аппаратов с клапанными тарелками.

Вот так закончились наши поиски в новом направлении оптимизации массообменной аппаратуры за счет использования автоколебательных режимов работы клапанных контактных устройств. Эти работы были поистине пионерскими и позволили предложить ряд инновационных проектов и разработок. К примеру, предложено примерно 50 новых конструкций клапанных контактных устройств для различных условий использования. Их можно разбить на несколько групп конструкций:

Противоточные клапанные контактные устройства с распределенными по каждому клапану переливами для слива жидкости и второй пленочной зоной контакта фаз чередующиеся с барботажными зонами. Такие контактные устройства отличаются от традиционных клапанов типа Glitch своими уникальными характеристиками. Эффективность выше процентов на 15 – 20 за счет улучшения массообмена в пульсирующем барботажном слое и наличия второй эффективной пленочной зоны контакта фаз. Пропускная способность колонны по газу возрастает от обычного диапазона 0,2 ‐ 0,8 м/сек у старых конструкций до 0,1 ‐ 2,2 м/сек у новых конструкций. Пропускная способность по жидкости возрастает от 5 – 25 м/час до 2 ‐ 150 м/час у новых контактных устройств в связи с наличием автономных переливов по центру каждого клапанного узла. Эти цифры свидетельствуют также о существенном увеличении гибкости, т.е. диапазона устойчивой работы оборудования, где обеспечивается не только высокая или низкая скорость потоков, но и требуемые характеристики эффективности контакта.

Эжекционные клапанные контактные элементы (рис.3), где за счет кинетической энергии газового потока обеспечивается циркуляция жидкости через каждое клапанное контактное устройство (эффективность выше, линия  2 справа). Это приводит к значительному (в несколько раз ) увеличению времени обработки жидкости газом, что делает возможным использование обычных массообменных аппаратов в качестве высокоэффективных газо – жидкостных химических реакторов.

Рис.3 – Эжекционный клапан

Об использовании пульсаций для повышения эффективности контакта фаз и гибкости написано выше.

Многоступенчатые кольцевые клапанные контактные элементы с пониженным гидравлическим сопротивлением за счет увеличения длины линии барботажа и увеличенной предельной нагрузкой по газу для вакуумных установок, которых также в перерабатывающих отраслях немало.

Предвижу замечания оппонентов типа: «И все это за счет использования колебаний?”. Или ”Что вы выдумываете велосипед? Колебания известны испокон веку, а вы что‐то рассказываете о креативности”. Попробую возразить. Колебания, в самом деле, известны давно. Знаменитый американский механик С.Тимошенко (фамилия свидетельствует о его славянском происхождении, может , даже украинском) написал великолепную книгу ”Колебания в инженерном деле” лет 100 назад. Но есть одна немаловажная деталь. Он обстоятельно описал существующие в оборудовании колебания и ничего не предложил по оптимизации оборудования путем наложения внешних колебаний на систему. Оппоненты могут также возразить, что давно появились ультразвуковые аппараты, где электрические колебания создаются специальными генераторами и преобразуются в механические пульсации за счет достаточно сложных, дорогих взрывоопасных преобразователей. Но мы сразу отказались от этого дорогого и энергоемкого направления. В наших работах чаще всего используются автоколебания, уже имеющиеся в оптимизируемой системе, и их преобразование за счет конструктивных особенностей оборудования.

Вот как мы проводили исследования колебаний противоточных клапанных контактных устройств (рис.4). Мы очень гордились тогда тем, что впервые нам удалось увязать характеристики колебаний с эффективность клапанной тарелки. Оказалось, что при весе клапана 50 г. его масса становится оптимальной и обеспечивает частоту колебаний, налагаемых на газовый поток,  резонансной частоты 10 1/с для превалирующих в барботажном слое пузырьков размером 4 мм.

Рис.4 – Установка для измерения частоты пульсаций клапанного контактного элемента в зависимости от скорости газа и геометрии а также массы клапана

И, наконец, главное. Я немного рассказал только о колебаниях, как одном из эффективных средств для получения высокоэффективных инновационных решений в технике. Но, ведь, во многих креативных решениях мы использовали и другие средства и методы, а иногда и их комбинации. Они есть в наших базах данных, где даны рекомендации по их использованию. Этому я учу своих аспирантов и студентов уже много лет. Коротко их не опишешь. Назову хотя бы некоторые из них (кроме колебаний): соударение потоков фаз друг с другом и о жесткую преграду, взаимная эжекция фаз, многократная инверсия фаз, гидравлическое саморегулирование, циклическое орошение и др.

Некоторые из этих средств и методов использованы в противоточных клапанах, показанных на рис. 5.

Рис. 5 – противоточные клапанные контактные устройства с использованием различных средств и методов оптимизации (попробуйте сами сформулировать их название)

Могу добавить, что при их оптимизации мы впервые использовали математические методы оптимизации геометрии контактного устройства с минимальными затратами на проведение исследований за счет использование математических методов планирования экстремальных экспериментов. Для колонных аппаратов это было сделано впервые. На рис.6 показано, что этим путем удалось значительно увеличить гибкость и адаптивность этих устройств. Перекрестно‐заштрихованная область  соответствует первоначальному диапазону устойчивой работы, а вся заштрихованная область соответствует области устойчивой работы для оптимизированных конструкций.

Рис. 6 – Область устойчивой работы противоточного контактного устройства клапанного типа до и после оптимизации

Те читатели, которых  заинтересовала эта информация, могут расширить свои знания, если познакомятся с моей небольшой монографией ”Интенсификация газо – жидкостных процессов химической технологии”, которую можно бесплатно скачать из Интернета.

Работы по оптимизации режимов работы, а также увеличению гибкости и адаптивности клапанных контактных устройств продолжались достаточно долго и завершились созданием большого количества перспективных конструкций, ряд из которых был коммерциализирован и даже внедрен в производство.

Много внимание также уделялось повышению эффективности и гибкости регулярных насадок массообменных аппаратов. Создано и запатентовано много технических решений. Одним из наиболее удачных из них считаю показанное на рис.7  устройство  барботажно – пленочной блочной насадки, отличающейся сравнительно невысокой стоимостью, но хорошими гидравлическими и массообменными характеристиками.

Рис. 7 – Барботажно – пленочная блочно – модульная насадка высокой гибкости

Могут представить также интерес впервые разработанные для производств особо‐чистых веществ, для производства нанопродуктов клапанно ‐ насадочные аппараты из фторопласта – 4, где смонтированы гирлянды последовательных клапанных узлов, одна из которых показана на рис. 8.

Рис. 8 – “Гирлянда” клапанных элементов, для колонны из фторопласта–4

Такие колонны нашли  применение в производствах полупроводниковых материалов.