ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΗΜΟΚΡΑΤΙΑ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΕΚΠΑΙ ΕΥΤΙΚΟ Ι ΡΥΜΑ (Τ.Ε.Ι.) ΧΑΛΚΙ ΑΣ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ ΑΥΤΟΜΑΤΙΣΜΟΥ ΑΥΤΟΜΑΤΟΠΟΙΗΣΗ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΑΣ ΑΛΕΣΗΣ ΒΩΞΙΤΗ ΣΤΟΝ ΤΟΜΕΑ ΑΛΟΥΜΙΝΑ ΓΙΑ ΤΗΝ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΑΛΟΥΜΙΝΑΣ ΚΑΙ ΑΛΟΥΜΙΝΙΟΥ ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΑΝΕΣΤΗΣ ΓΙΩΡΓΟΣ ΑΒ99038 ΧΑΛΚΙ Α Νοέµβριος 2005 Επιβλέπων: ρ. ΛΕΡΟΣ ΑΠΟΣΤΟΛΟΣ.
ΑΥΤΟΜΑΤΟΠΟΙΗΣΗ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΑΣ ΑΛΕΣΗΣ ΒΩΞΙΤΗ ΣΤΟΝ ΤΟΜΕΑ ΑΛΟΥΜΙΝΑ ΓΙΑ ΤΗΝ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΑΛΟΥΜΙΝΑΣ ΚΑΙ ΑΛΟΥΜΙΝΙΟΥ
Αφιερώνεται στους καθηγητές του τµήµατος Αυτοµατισµού κατά τη διάρκεια των σπουδών µου από 2000-2005 στην προσπάθεια τους να αποκτήσω τις γνώσεις στα συστήµατα και τεχνολογίες Αυτόµατου Ελέγχου.
ΠΡΟΛΟΓΟΣ ήµερα το θέµα αυτοµατοποίησης βιοµηχανιών είναι πολύ σπουδαίο, αφού η ελληνική βιοµηχανία, στην προσπάθειά της να βελτιώσει τη διεθνή ανταγωνιστικότητά της και έτσι να συµβάλει στην αύξηση της απασχόλησης, αισθάνεται εξαιρετικά πιεστική την ανάγκη να εκσυγχρονίσει την παραγωγική διαδικασία και να εισαγάγει νέα προϊόντα. Όταν µιλάµε για ελληνική βιοµηχανία εννοούµε κυρίως, παραδοσιακές βιοµηχανίες, βιοµηχανίες ενέργειας και αµυντικού εξοπλισµού, βιοµηχανίες παραγωγής ηλεκτρονικών και τηλεπικοινωνιακών συστηµάτων και κατασκευαστικές εταιρείες. Σήµερα που η τεχνολογία τρέχει µε γοργούς ρυθµούς, καθίσταται επιτακτικό να εξασφαλιστεί µεγαλύτερη ταχύτητα προσαρµογής του παραγωγικού εξοπλισµού, των προϊόντων και του προσωπικού, λαµβάνοντας πάντα υπ' όψη την ιδιαιτερότητα και εσωτερική δυνατότητα κάθε βιοµηχανίας. Οι τεχνολογίες που καλούνται να καλύψουν τις ανωτέρω ανάγκες των βιοµηχανιών είναι τεχνολογίες αιχµής διότι εµπεριέχουν πληροφοριακά και επικοινωνιακά συστήµατα, µεθόδους αυτοµατοποίησης της παραγωγικής διαδικασίας, προγραµµατιζόµενα ηλεκτρονικά συστήµατα υψηλής ολοκλήρωσης και καινοτοµικά προϊόντα βασισµένα στις τεχνολογίες αυτές. Η πτυχιακή αυτή ασχολείται µε την αυτοµατοποίηση βιοµηχανίας άλεσης βωξίτη στον τοµέα αλουµίνα για την παραγωγή αλουµίνας και αλουµινίου. Αναφέρει την ίδρυση της εταιρείας, τους τοµείς της παραγωγής και τη δυναµικότητάς της. Περιγράφει τη σχηµατική παράσταση παραγωγής ενός τόνου αλουµινίου και τα υλικά που χρησιµοποιούνται για την παραγωγή αυτή. Αναφέρει τον κύκλο παραγωγής αλουµίνας και αναλύει τις δυο βασικές του φάσεις, την προσβολή και τη διάσπαση, ενώ περιγράφει συνοπτικά τις ενδιάµεσες φάσεις που συµπληρώνουν ή προετοιµάζουν αυτές. Μέσω µαθηµατικών εννοιών και µοντέλων για την ανάλυση των συστηµάτων αυτόµατου ελέγχου στο πεδίο του χρόνου, καλύπτει τη µοντελοποίηση και προσοµοίωση βιοµηχανίας άλεσης βωξίτη, αναφέρει µερικές από τις σύγχρονες τεχνικές σχεδίασης συστηµάτων αυτόµατου ελέγχου, το βέλτιστο και το στοχαστικό έλεγχο, παρουσιάζει τις παρεµβάσεις αυτοµατισµού µε σκοπό τη βελτιστοποίηση του µοντέλου της άλεσης βωξίτη, εφαρµόζει τις παρεµβάσεις και συγκρίνει τα αποτελέσµατα µε σκοπό τα τελικά αποτελέσµατα. Μαζί µε την πτυχιακή εργασία παρέχεται CD-ROM που περιλαµβάνει τις προσοµοιώσεις του συστήµατος άλεσης βωξίτη οι οποίες έγιναν µε τη χρήση του προγράµµατος MATLAB, έκδοση 6.5, The Language of Technical Computing. Τέλος θέλω να ευχαριστήσω θερµά τον καθηγητή µου ρ. Λερό Απόστολο για τις γόνιµες παρατηρήσεις του και τα εποικοδοµητικά του σχόλια που συνέβαλαν στη βελτίωση και ολοκλήρωση αυτής της πτυχιακής εργασίας. Επίσης θα ήταν άδικο εκ µέρους µου να µην αναφερθώ στις παρακάτω βιβλιογραφίες ["Αλουµίνιον της Ελλάδος", 2001], [Κουµπουλής, 1999], [Ong, 2000], [Παρασκευόπουλος, 1998, 2001], [Stephen J. Chapman, 1993], [Σύρκος, 2001] και διδακτικές σηµειώσεις [Λερός, 2002], [Γιαλτουρίδης, 1995] οι οποίες συνέβαλαν σε µεγάλο βαθµό, τόσο από άποψη κειµένων όσο και σχηµάτων, στη διαµόρφωση αυτής της πτυχιακής εργασίας. Σελίδα 4 από 134
Περιεχόµενα σελ. Εισαγωγή.. 14 Κεφάλαιο 1 Παραγωγή Αλουµίνας και Αλουµινίου 1.1 ΣΧΗΜΑΤΙΚΗ ΠΑΡΑΣΤΑΣΗ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ 1 ΤΟΝΟΥ 19 ΑΛΟΥΜΙΝΙΟΥ. 1.2 ΚΥΚΛΟΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΑΛΟΥΜΙΝΑΣ.. 21 1.3 ΠΡΟΣΒΟΛΗ.. 22 1.4 ΚΑΘΙΖΗΣΗ... 24 1.5 ΙΑΣΠΑΣΗ 24 1.6 ΣΥΜΠΥΚΝΩΣΗ... 26 1.7 ΣΥΝΟΠΤΙΚΗ ΠΑΡΑΣΤΑΣΗ ΚΥΡΙΟΥ ΚΥΚΛΩΜΑΤΟΣ 27 ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΑΛΟΥΜΙΝΑΣ. 1.7.1 ΘΡΑΥΣΗ. 28 1.7.2 ΑΛΕΣΗ... 29 1.7.3 ΑΡΑΙΩΣΗ... 30 1.7.4 ΠΛΥΣΗ... 31 1.7.5 ΕΡΥΘΡΑ ΙΗΘΗΣΗ... 31 1.7.6 ΕΝΑΛΛΑΚΤΕΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ.. 31 1.7.7 ΙΑΧΩΡΙΣΜΟΣ.. 31 1.7.8 ΛΕΥΚΗ ΙΗΘΗΣΗ 31 1.7.9 ΙΑΠΥΡΩΣΗ.. 32 1.7.10 ΚΑΥΣΤΙΚΟΠΟΙΗΣΗ ΜΕ ΒΑΡΙΟ. 32 1.7.11 ΕΞΑΤΜΙΣΗ 32 1.8 ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΑΣ ΑΛΕΣΗΣ ΒΩΞΙΤΗ.. 32 Σελίδα 5 από 134
Κεφάλαιο 2 Μοντελοποίηση Βιοµηχανίας Άλεσης Βωξίτη για την Παραγωγή Αλουµίνας και Αλουµινίου 2.1 ΣΧΕ ΙΑΣΗ ΚΑΙ ΕΛΕΓΧΟΣ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ 33 ΑΛΕΣΗΣ ΒΩΞΙΤΗ... 2.2 ΕΛΕΓΚΤΕΣ... 36 2.2.1 ΤΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΕΛΕΓΧΟΥ/ΧΕΙΡΙΣΜΟΥ/ΕΠΟΠΤΕΙΑΣ. 37 2.3 ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ ΚΑΙ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ 41 ΑΛΕΣΗΣ ΒΩΞΙΤΗ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΧΡΟΝΟΥ. 2.3.1 ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΑΛΕΣΗΣ ΒΩΞΙΤΗ.. 41 2.3.1.1 ΚΙΝΗΤΗΡΑΣ ΡΑΒ ΟΜΥΛΟΥ ΚΑΙ ΣΦΑΙΡΟΜΥΛΟΥ. 44 2.3.1.1.1 ΤΡΙΦΑΣΙΚΟ ΚΥΚΛΩΜΑ ΕΠΑΓΩΓΙΚΟΥ ΚΙΝΗΤΗΡΑ ΑΛΕΣΗΣ 46 ΒΩΞΙΤΗ.. 2.3.1.1.2 ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ ΑΣΥΓΧΡΟΝΟΥ ΤΡΙΦΑΣΙΚΟΥ ΚΙΝΗΤΗΡΑ... 48 2.3.1.2 ΣΥΣΤΗΜΑ ΕΞΑΜΕΝΗΣ ΚΑΙ ΕΞΑΜΕΝΗΣ ΠΡΟΣΒΟΛΗΣ... 50 2.3.1.2.1 ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΕΞΑΜΕΝΗΣ 51 2.3.1.3 ΣΥΣΤΗΜΑ ΚΥΚΛΩΝΑΣ ΙΑΧΩΡΙΣΤΗΣ 53 2.3.1.3.1 ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΚΥΚΛΩΝΑ 55 2.3.1.4 ΕΥΣΤΑΘΕΙΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΑΛΕΣΗΣ ΒΩΞΙΤΗ. 56 2.4 ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ ΕΛΕΓΚΤΗ ΑΛΕΣΗΣ ΒΩΞΙΤΗ 60 2.4.1 ΙΑΚΡΙΤΟΠΟΙΗΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΑΛΕΣΗΣ ΒΩΞΙΤΗ.. 61 2.4.2 ΕΛΕΓΚΤΗΣ ΑΛΕΣΗΣ ΒΩΞΙΤΗ 62 Κεφάλαιο 3 Σύγχρονοι Μέθοδοι Σχεδίασης Συστηµάτων Αυτόµατου Ελέγχου 3.1 ΒΕΛΤΙΣΤΟΣ ΓΡΑΜΜΙΚΟΣ ΡΥΘΜΙΣΤΗΣ ΑΛΕΣΗΣ ΒΩΞΙΤΗ.. 65 3.2 ΣΤΟΧΑΣΤΙΚΟΣ ΕΛΕΓΧΟΣ ΑΛΕΣΗΣ ΒΩΞΙΤΗ 68 Κεφάλαιο 4 Παρεµβάσεις Αυτοµατισµού για Βελτιστοποίηση του Μοντέλου της Άλεσης Βωξίτη 4.1 ΒΕΛΤΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ ΤΗΣ ΠΑΡΑΓΩΓΙΚΗΣ ΙΑ ΙΚΑΣΙΑΣ... 72 Σελίδα 6 από 134
4.1.1 Η ΣΥΓΧΡΟΝΗ ΛΥΣΗ 72 4.1.2 ΠΑΡΕΜΒΑΣΕΙΣ ΑΥΤΟΜΑΤΙΣΜΟΥ ΓΙΑ ΒΕΛΤΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ ΤΗΣ ΑΛΕΣΗΣ ΒΩΞΙΤΗ. 72 Κεφάλαιο 5 Εφαρµογή των Παρεµβάσεων µε Σύγκριση των Αποτελεσµάτων και Τελικά Αποτελέσµατα 5.1 ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΤΩΝ ΠΑΡΕΜΒΑΣΕΩΝ ΑΥΤΟΜΑΤΙΣΜΟΥ. 81 Κεφάλαιο 6 Simulink Κώδικας Γραφήµατα 6.1 ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΑΛΕΣΗΣ ΒΩΞΙΤΗ ΣΥΝΕΧΟΥΣ 85 ΧΡΟΝΟΥ 6.1.1 ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΑΣΥΓΧΡΟΝΟΥ ΤΡΙΦΑΣΙΚΟΥ ΚΙΝΗΤΗΡΑ... 86 6.1.2 ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΕΞΑΜΕΝΗΣ.. 90 6.1.3 ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΚΥΚΛΩΝΑ.. 93 6.2 ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΙΕΡΓΑΣΙΑΣ - ΕΛΕΓΚΤΗ ΑΛΕΣΗΣ ΒΩΞΙΤΗ.. 97 Κεφάλαιο 7 Παρεµβάσεις Εισηγήσεις για Βελτιστοποίηση 7.1 ΒΕΛΤΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΑΛΕΣΗΣ ΒΩΞΙΤΗ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΧΡΟΝΟΥ 102 Σελίδα 7 από 134
Κεφάλαιο 8 Συµπεράσµατα ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ.. 107 Παράρτηµα Α Εισαγωγικές Έννοιες περί Αυτόµατου Ελέγχου A.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΟΝ ΑΥΤΟΜΑΤΟ ΕΛΕΓΧΟ... 108 A.2 ΚΑΤΗΓΟΡΙΕΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ.. 111 A.3 ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΑ ΜΟΝΤΕΛΑ ΓΙΑ ΤΗΝ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ 113 ΓΡΑΜΜΙΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΚΑΙ ΙΑΚΡΙΤΟΥ ΧΡΟΝΟΥ ΧΡΟΝΙΚΑ ΑΜΕΤΑΒΛΗΤΩΝ A.3.1 ΣΥΝΑΡΤΗΣΗ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ. 113 A.3.2 ΕΞΙΣΩΣΕΙΣ ΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ 114 A.3.3 ΟΛΟΚΛΗΡΩ ΙΑΦΟΡΙΚΕΣ ΕΞΙΣΩΣΕΙΣ... 115 A.4 ΕΙΓΜΑΤΟΛΗΨΙΑ 116 A.4.1 ΙΑΚΡΙΤΟΠΟΙΗΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΧΡΟΝΟΥ.. 118 A.4.1.1 ΠΡΟΣΕΓΓΙΣΤΙΚΗ ΙΑΚΡΙΤΟΠΟΙΗΣΗ 118 A.4.1.1.1 ΕΝΑΛΛΑΚΤΙΚΕΣ ΜΕΘΟ ΟΙ ΠΡΟΣΕΓΓΙΣΤΙΚΗΣ 119 ΙΑΚΡΙΤΟΠΟΙΗΣΗΣ.. A.4.1.2 ΑΚΡΙΒΗΣ ΙΑΚΡΙΤΟΠΟΙΗΣΗ.. 122 A.4.2 ΣΥΣΤΗΜΑ ΕΛΕΓΚΤΗ 122 A.5 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΟΥΣ ΜΕΘΟ ΟΥΣ ΣΧΕ ΙΑΣΗΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ 125 ΑΥΤΟΜΑΤΟΥ ΕΛΕΓΧΟΥ... A.5.1 ΒΕΛΤΙΣΤΟΣ ΕΛΕΓΧΟΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΧΡΟΝΟΥ... 126 A.5.1.1 ΒΕΛΤΙΣΤΟΣ ΓΡΑΜΜΙΚΟΣ ΡΥΘΜΙΣΤΗΣ... 128 A.5.1.1.1 ΕΛΕΓΞΙΜΟ.. 129 A.5.1.1.2 ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΙΜΟ... 130 A.5.2 ΣΤΟΧΑΣΤΙΚΟΣ ΕΛΕΓΧΟΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΧΡΟΝΟΥ... 130 Βιβλιογραφία... 133 Σελίδα 8 από 134
Κατάλογος Σχηµάτων & Πινάκων σελ. Εισαγωγή Σχήµα α: Εγκαταστάσεις "Αλουµίνιον της Ελλάδος"... 14 Σχήµα β: Ελληνικά Κοιτάσµατα Βωξίτη.. 15 Σχήµα γ: Η Αλουµίνα <<παιδί>> του Βωξίτη <<µητέρα>> του Αλουµινίου... 15 Σχήµα δ: Κάθε Χρόνο, 70.000 Τόνοι Πρωτόχυτου Αλουµινίου Εξάγονται στην Ευρωπαϊκή Αγορά. 16 Σχήµα ε: Αλουµίνιο και ιάστηµα 17 Κεφάλαιο 1 Παραγωγή Αλουµίνας και Αλουµινίου Σχήµα 1.1α: Σχηµατική Παράσταση Παραγωγής 1 Τόνου Αλουµινίου... 19 Πίνακας 1.1α: Μέση Σύσταση Ελληνικού Βωξίτη... 20 Σχήµα 1.2α: Κύκλος Παραγωγής Αλουµίνας... 21 Σχήµα 1.3α: Προσβολή. 22 Πίνακας 1.3α: Παραγωγικότητα Προσβολής 23 Πίνακας 1.4α: Παραγωγικότητα Καθίζησης. 24 Σχήµα 1.5α: ιάσπαση.. 25 Πίνακας 1.5α: Παραγωγικότητα ιάσπασης. 25 Πίνακας 1.6α: Παραγωγικότητα Συµπύκνωσης 26 Σχήµα 1.7α: Συνοπτική Παράσταση Κύριου Κυκλώµατος Παραγωγής 27 Αλουµίνας. Σχήµα 1.7.1α: Αλυσίδα Σπαστήρων. 28 Σχήµα 1.7.2α: Κύκλωµα Άλεσης. 30 Κεφάλαιο 2 Μοντελοποίηση Βιοµηχανίας Άλεσης Βωξίτη για την Παραγωγή Αλουµίνας και Αλουµινίου Σχήµα 2.1α: Κύκλωµα Άλεσης. 33 Σχήµα 2.1β: Σχηµατικό ιάγραµµα Συστήµατος Άλεσης Βωξίτη µε Είσοδο και Έξοδο 34 Σελίδα 9 από 134
Σχήµα 2.1γ: Κλειστό Σύστηµα Άλεσης 34 Σχήµα 2.1δ: ιάγραµµα ιεργασίας µε Ενδοπροσωπεία (Είσοδος + Έξοδος + 35 Σύστηµα + Αισθητήρας + Ενεργοποιητής)... Σχήµα 2.1ε: ιάγραµµα ιεργασίας Άλεσης µε Ενδοπροσωπεία (Είσοδος + 35 Έξοδος + Σύστηµα + Αισθητήρας + Ενεργοποιητής)... Σχήµα 2.2α: οµή ιάταξης Κλειστού Βρόχου ( ιεργασία + Ελεγκτής) 36 Σχήµα 2.2β: οµή ιάταξης Κλειστού Βρόχου Άλεσης Βωξίτη ( ιεργασία Άλεσης + Ελεγκτής).. 37 Σχήµα 2.2.1α: Συνοπτική Εικόνα Ελέγχου/Χειρισµού/Εποπτείας 38 Σχήµα 2.2.1β: Βρόχος Ρύθµισης (Συνεχής Έλεγχος) 39 Σχήµα 2.2.1γ: Βρόχος Ρύθµισης (Λογικός Έλεγχος) 40 Σχήµα 2.3.1α: ιεργασία Άλεσης. 41 Σχήµα 2.3.1β: ιεργασία Άλεσης. 42 Σχήµα 2.3.1γ: ιεργασία Άλεσης.. 42 Σχήµα 2.3.1.1α: Ασύγχρονος ή Επαγωγικός Τριφασικός Κινητήρας Βραχυκυκλωµένου ροµέα... 45 Σχήµα 2.3.1.1.1α: Τριφασικό Κύκλωµα Aσύγχρονου Κινητήρα Βραχυκυκλωµένου ροµέα Άλεσης Βωξίτη 46 Σχήµα 2.3.1.1.1β: Λειτουργία Aσύγχρονου Τριφασικού Κινητήρα Βραχυκυκλωµένου ροµέα Άλεσης Βωξίτη 47 Σχήµα 2.3.1.1.2α: Ισοδύναµο Κύκλωµα Ασύγχρονου Τριφασικού Κινητήρα Βραχυκυκλωµένου ροµέα... 48 Σχήµα 2.3.1.2α: Εποπτική Εικόνα Συστήµατος Αυτοµάτου Ελέγχου Στάθµης Υγρού 50 Σχήµα 2.3.1.2.1α: ιάγραµµα Βαθµίδων του Αναλογικού Στοιχείου Στάθµης 52 Σχήµα 2.3.1.2.1β: ιάγραµµα Βαθµίδων του Κλειστού Συστήµατος... 53 Σχήµα 2.3.1.3α: Συµβατικός Κυκλώνας- ιαχωριστής. 54 Σχήµα 2.3.1.3.1α: (a) Βέλτιστη Μορφή (b) Αποδοτικότητα 55 Σχήµα 2.3.1.4α: Πόλοι και Μηδενικά Συστήµατος Άλεσης Βωξίτη 59 Σχήµα 2.4.2α: Πόλοι και Μηδενικά ιεργασίας Ελεγκτή Άλεσης Βωξίτη... 64 Κεφάλαιο 3 Σύγχρονοι Μέθοδοι Σχεδίασης Συστηµάτων Αυτόµατου Ελέγχου Σχήµα 3.1α: Προσοµοίωση Βέλτιστου Γραµµικού Ρυθµιστή Άλεσης Βωξίτη 67 Σχήµα 3.1β: Απόκριση Βέλτιστου Γραµµικού Ρυθµιστή Άλεσης Βωξίτη... 68 Σχήµα 3.2α: Προσοµοίωση LQG Ρυθµιστή Άλεσης Βωξίτη... 69 Σχήµα 3.2β: Βέλτιστος Εκτιµητής (Kalman Filter).. 70 Σχήµα 3.2γ: Απόκριση LQG Ρυθµιστή Άλεσης Βωξίτη.. 70 Σελίδα 10 από 134
Κεφάλαιο 4 Παρεµβάσεις Αυτοµατισµού για Βελτιστοποίηση του Μοντέλου της Άλεσης Βωξίτη Σχήµα 4.1.2α: Σερβοµηχανισµός Θέσης... 75 Σχήµα 4.1.2β: Σχηµατικό ιάγραµµα Συστήµατος Σερβοµηχανισµού µε Είσοδο και Έξοδο.. 75 Σχήµα 4.1.2γ: Σχηµατικό ιάγραµµα Συστήµατος Σερβοµηχανισµού µε Είσοδο και Έξοδο.. 77 Σχήµα 4.1.2δ: Προσοµοίωση Συστήµατος Σερβοµηχανισµού. 77 Σχήµα 4.1.2ε: Απόκριση Συστήµατος Σερβοµηχανισµού 78 Κεφάλαιο 5 Εφαρµογή των Παρεµβάσεων µε Σύγκριση των Αποτελεσµάτων και Τελικά Αποτελέσµατα Σχήµα 5.1α: Προσοµοίωση Συστήµατος Σερβοµηχανισµού Ελεγκτή στο Πεδίο της Συχνότητας.. Σχήµα 5.1β: Χρονική Απόκριση Συστήµατος Σερβοµηχανισµού - Ελεγκτή στο Πεδίο της Συχνότητας... Σχήµα 5.1γ: Χρονική Απόκριση Συστήµατος Σερβοµηχανισµού - Ελεγκτή στο Πεδίο της Συχνότητας... 82 82 83 Κεφάλαιο 6 Simulink Κώδικας Γραφήµατα Σχήµα 6.1α: Προσοµοίωση Συστήµατος Παραγωγής 1 Τόνου Αλουµινίου 85 Σχήµα 6.1β: Προσοµοίωση Συστήµατος Άλεσης Βωξίτη 86 Σχήµα 6.1γ: Προσοµοίωση Συστήµατος Άλεσης Βωξίτη 86 Σχήµα 6.1.1α: Σχηµατικό ιάγραµµα Συστήµατος Κινητήρα Ραβδόµυλου και Σφαιρόµυλου µε Είσοδο και Έξοδο.. 87 Σχήµα 6.1.1β: Προσοµοίωση Κινητήρα Ραβδόµυλου και Σφαιρόµυλου. 87 Σχήµα 6.1.1γ: Χρονική Απόκριση Κινητήρα Ραβδόµυλου.. 89 Σελίδα 11 από 134
Σχήµα 6.1.1δ: Χρονική Απόκριση Κινητήρα Σφαιρόµυλου 89 Σχήµα 6.1.2α: Σχηµατικό ιάγραµµα Συστήµατος εξαµενής και εξαµενής Προσβολής µε Είσοδο και Έξοδο. 90 Σχήµα 6.1.2β: Προσοµοίωση Συστήµατος εξαµενής 91 Σχήµα 6.1.2γ: Χρονική Απόκριση Συστήµατος εξαµενής 91 Σχήµα 6.1.2δ: Προσοµοίωση Συστήµατος εξαµενής Προσβολής 92 Σχήµα 6.1.2ε: Χρονική Απόκριση Συστήµατος εξαµενής Προσβολής 93 Σχήµα 6.1.3α: Σχηµατικό ιάγραµµα Συστήµατος Κυκλώνα µε Είσοδο και Έξοδο 94 Σχήµα 6.1.3β: Προσοµοίωση Συστήµατος Κυκλώνα.. 94 Σχήµα 6.1.3γ: Χρονική Απόκριση Συστήµατος Κυκλώνα µε Έξοδο Καλά Αλεσµένο Βωξίτη.. 95 Σχήµα 6.1.3δ: Χρονική Απόκριση Συστήµατος Κυκλώνα µε Έξοδο µη Καλά Αλεσµένο Βωξίτη.. 95 Σχήµα 6.1.3ε: Χρονική Απόκριση Συστήµατος Άλεσης Βωξίτη. 96 Σχήµα 6.2α: Σχηµατικό ιάγραµµα Συστήµατος Άλεσης µε Είσοδο και Έξοδο στο Πεδίο της Συχνότητας 97 Σχήµα 6.2β: Προσοµοίωση Συστήµατος Άλεσης Βωξίτη στο Πεδίο της Συχνότητας 98 Σχήµα 6.2γ: Χρονική Απόκριση Συστήµατος Άλεσης Βωξίτη στο Πεδίο της Συχνότητας 98 Σχήµα 6.2δ: Σχηµατικό ιάγραµµα ιεργασίας - Ελεγκτή Άλεσης Βωξίτη µε Είσοδο και Έξοδο στο Πεδίο της Συχνότητας.. 99 Σχήµα 6.2ε: Προσοµοίωση Συστήµατος Ελεγκτή στο Πεδίο της Συχνότητας 99 Σχήµα 6.2ζ: Προσοµοίωση Συστήµατος ιεργασίας στο Πεδίο της Συχνότητας 100 Σχήµα 6.2η: Χρονική Απόκριση Συστήµατος ιεργασίας - Ελεγκτή Άλεσης Βωξίτη στο Πεδίο της Συχνότητας 100 Κεφάλαιο 7 Παρεµβάσεις Εισηγήσεις για Βελτιστοποίηση Σχήµα 7.1α: Χρονική Απόκριση Κινητήρα Ραβδόµυλου και Σφαιρόµυλου 103 Σχήµα 7.1β: Χρονική Απόκριση Κινητήρα Ραβδόµυλου και Σφαιρόµυλου 104 Σχήµα 7.1γ: Χρονική Απόκριση Συστήµατος εξαµενής 105 Σχήµα 7.1δ: Χρονική Απόκριση Συστήµατος εξαµενής 105 Σχήµα 7.1ε: Χρονική Απόκριση Συστήµατος ιεργασίας - Ελεγκτή Άλεσης Βωξίτη στο Πεδίο της Συχνότητας 106 Σελίδα 12 από 134
Παράρτηµα Α Εισαγωγικές Έννοιες περί Αυτόµατου Ελέγχου Σχήµα Α.1α: Σχηµατικό ιάγραµµα Συστήµατος µε Είσοδο και Έξοδο.. 108 Σχήµα Α.1β: Ανοικτό Σύστηµα. 109 Σχήµα Α.1γ: Κλειστό Σύστηµα. 109 Σχήµα Α.1δ: Σχηµατικό ιάγραµµα Ανοικτού Συστήµατος 109 Σχήµα Α.1ε: Σχηµατικό ιάγραµµα Κλειστού Συστήµατος. 110 Σχήµα Α.4α: A-Ψ Μετατροπέας... 116 Σχήµα Α.4β: Ψ-Α Μετατροπέας... 117 Σχήµα Α.4γ: Χονδρική οµή ιάταξης Κλειστού Βρόχου ( ιεργασία + Μετατροπέας Α-Ψ + Μετατροπέας Ψ-Α + Η-Υ).. 117 Σχήµα Α.4δ: Ισοδύναµη Χονδρική οµή ιάταξης Κλειστού Βρόχου ( ιεργασία + Μετατροπέας Α-Ψ + Μετατροπέας Ψ-Α + Η-Υ)... 117 Σχήµα Α.4.1.1.1α: Τραπεζοειδής Μέθοδος... 121 Σχήµα Α.4.2α: οµή Συστήµατος Κλειστού Βρόχου για Γραµµικές ιεργασίες και Γραµµικούς Ελεγκτές.. 123 Σχήµα Α.4.2β: οµή Συστήµατος Κλειστού Βρόχου µε Ανάλυση του Ελεγκτή σε ρόµο Ανατροφοδότησης και ρόµο Προαντιστάθµισης 124 Σχήµα A.5.1α: (a) Ανοικτό Σύστηµα (b) Κλειστό Σύστηµα. 126 Σχήµα Α.5.2α: Linear Quadratic Gaussian Design... 130 Σχήµα Α.5.2β: Linear Quadratic Gaussian Regulator Problem 131 Σελίδα 13 από 134
ΕΙΣΑΓΩΓΗ "Αλουµίνιον της Ελλάδος Β.Ε.Α.Ε", ιδρύθηκε τo 1960, µε στόχο την αξιοποίηση των σηµαντικών ελληνικών κοιτασµάτων βωξίτη, για την παραγωγή αλουµίνας και αλουµινίου. Η εταιρεία εγκατέστησε το βιοµηχανικό της συγκρότηµα στον Άγιο Νικόλαο Βοιωτίας, στη βόρεια ακτή του Κορινθιακού κόλπου. Σχήµα α: Εγκαταστάσεις "Αλουµίνιον της Ελλάδος" Η θέση αυτή συνδυάζει την ύπαρξη σηµαντικών κοιτασµάτων βωξίτη στη Βοιωτία και στη Φωκίδα, µε την ευκολία θαλάσσιας επικοινωνίας και τη διακριτική ένταξη στο περιβάλλον. Το µετοχικό κεφάλαιο της εταιρείας ανήκει κατά 60% στον γαλλικό όµιλο επιχειρήσεων PECHINEY και κατά 40% σε διάφορους µετόχους, η πλειοψηφία των οποίων είναι τραπεζικά ιδρύµατα και θεσµικοί επενδυτές. Η "Αλουµίνιον της Ελλάδος" απετέλεσε την κινητήρια δύναµη ανάπτυξης του βιοµηχανικού κλάδου µεταποίησης του αλουµινίου στην Ελλάδα. Ο κλάδος αυτός απασχολεί, άµεσα και έµµεσα, περίπου 40.000 άτοµα, µεταποιεί περισσότερους από 250.000 τόνους αλουµινίου κάθε χρόνο και πραγµατοποιεί κύκλο εργασιών που υπερβαίνει τα 2.054.000.000 euro, ποσό που αντιπροσωπεύει το 1,7% του ακαθάριστου εγχώριου προϊόντος. Εγκατεστηµένη σήµερα σε µια περιοχή πλούσια σε κοιτάσµατα βωξίτη το ολοκληρωµένο βιοµηχανικό συγκρότηµα της εταιρείας περιλαµβάνει ["Αλουµίνιον της Ελλάδος", 2001]: Μια µονάδα επεξεργασίας βωξίτη για την παραγωγή αλουµίνας. Μια µονάδα επεξεργασίας αλουµίνας για την παραγωγή αλουµινίου. Μια µονάδα παραγωγής αλουµινίου (σειρές ηλεκτρόλυσης, παραγωγή ανόδων, χυτήριο). Σελίδα 14 από 134
Ο βωξίτης, οφείλει την ονοµασία του στην πόλη Baux της Γαλλίας, όπου για πρώτη φορά εντοπίστηκαν κοιτάσµατά του. Eίναι ιζηµατογενές πέτρωµα, µίγµα µεταλλικών οξειδίων και είναι το βασικό µετάλλευµα για την παραγωγή του αλουµινίου. Σχηµατίσθηκε σε µια γεωλογική περίοδο πριν από 200-100 εκ. χρόνια. Τα σηµαντικότερα γνωστά κοιτάσµατα στην Ελλάδα βρίσκονται στη Στερεά Ελλάδα (ζώνη Ελικώνα Παρνασσού Γκιώνας) και εκτιµώνται σε περίπου 100 εκ. τόνους. Σχήµα β: Ελληνικά Κοιτάσµατα Βωξίτη H µονάδα παραγωγής αλουµίνας περιλαµβάνει µια πλειάδα τµηµάτων και εγκαταστάσεων στις οποίες µε φυσικοχηµικές διεργασίες διαχωρίζεται το οξείδιο του αλουµινίου (αλουµίνα) από το µετάλλευµα του βωξίτη. Περιλαµβάνει τα εξής τµήµατα: o Θραύση-Άλεση βωξίτη. o Απασβεστοποίηση. o Προσβολή- ιαλυτοποίηση αλουµίνας. o ιήθηση- ιαχωρισµός καταλοίπων. o Εξάτµιση-Συµπύκνωση σόδας. o ιαπύρωση αλουµίνας. o Παραγωγή ατµού. Σχήµα γ: Η Αλουµίνα <<παιδί>> του Βωξίτη <<µητέρα>> του Αλουµινίου Η µονάδα παραγωγής αλουµινίου περιλαµβάνει 780 λεκάνες ηλεκτρόλυσης (ηλεκτρολυτικά κελιά) οργανωµένες σε τρεις σειρές των 260 λεκανών. Σελίδα 15 από 134
Το χυτήριο είναι η χύτευση και η µορφοποίηση του µετάλλου που παραλαµβάνεται σε ρευστή µορφή από την ηλεκτρόλυση. Χυτεύεται και µορφοποιείται σε τρία είδη προϊόντων: o κολόνες πρωτόχυτου και δευτερόχυτου αλουµινίου (110.000 τόνοι). o πλάκες (50.000 τόνοι). o χελώνες µε τοµή σχήµατος Τ (5000 τόνοι). Περιλαµβάνει φούρνους κραµατοποίησης, συστήµατα καθαρισµού του µετάλλου, φούρνο οµογενοποίησης, συστήµατα πριονισµού και δεµατοποίησης. Η δραστηριότητα των ανόδων παράγει και εξασφαλίζει τη τροφοδοσία της ηλεκτρόλυσης µε τις απαραίτητες συναρµολογηµένες ανόδους. Χρησιµοποιεί σαν πρώτες ύλες για την παραγωγή των ανόδων: κωκ, πίσσα και υπολείµµατα ανόδων. Η δραστηριότητα των ανόδων αποτελείται από τρία τµήµατα: o Ωµής παραγωγής. o Φούρνος ψησίµατος. o Συναρµολόγησης. Ενώ η δυναµικότητα της είναι 100.000 τόνοι ψηµένων ανόδων. Εκτός από τις τρεις κύριες µονάδες επεξεργασίας, το βιοµηχανικό συγκρότηµα περιλαµβάνει: Τον υποσταθµό ηλεκτρικής ενέργειας της ΕΗ. Τις λιµενικές εγκαταστάσεις, ικανές να εξυπηρετήσουν πλοία χωρητικότητας µέχρι 50.000 τόνων. Τις εγκαταστάσεις αντιρύπανσης. Τους χώρους αποθήκευσης καυσίµων και πρώτων υλών. Τα συνεργεία κεντρικής και περιφερειακής συντήρησης. Το πλέγµα των δραστηριοτήτων υποστήριξης (περιβάλλοντος, ποιότητας, ασφάλειας, χηµείου, πληροφορικής, ιατρείου, διαχείρισης προσωπικού, λογιστηρίου, εσωτερικών υπηρεσιών). Με βάση όλα αυτά τα τµήµατα η δυναµικότητα του εργοστάσιου είναι ότι επεξεργάζεται 1.400.000t Ελληνικού βωξίτη και 200.000t τροπικού βωξίτη και παράγει 750.000t αλουµίνας και 160.000t αλουµινίου. Σχήµα δ: Κάθε Χρόνο, 70.000 Τόνοι Πρωτόχυτου Αλουµινίου Εξάγονται στην Ευρωπαϊκή Αγορά Σελίδα 16 από 134
Πρόκειται για µια σχεδόν µοναδική περίπτωση, σε παγκόσµιο επίπεδο, που συνδυάζει στον ίδιο χώρο, µονάδα παραγωγής αλουµίνας και µονάδα παραγωγής αλουµινίου. Τα εργοστάσια παραγωγής αλουµίνας κατασκευάζονται κοντά στα κοιτάσµατα βωξίτη, ενώ τα εργοστάσια αλουµινίου κοντά σε µεγάλα ηλεκτροπαραγωγικά κέντρα. Η συνύπαρξη των στοιχείων αυτών, στην περίπτωση της "Αλουµίνιον της Ελλάδος", αποτελεί θετικό παράγοντα ανταγωνιστικότητας. Σχήµα ε: Αλουµίνιο και ιάστηµα Στην πτυχιακή αυτή ειδικότερα παρουσιάζονται τα παρακάτω κεφάλαια: Το κεφάλαιο 1 αναφέρεται στην παραγωγή αλουµίνας και αλουµινίου. Περιγράφει τη σχηµατική παράσταση παραγωγής ενός τόνου αλουµινίου και τα υλικά που χρησιµοποιούνται για την παραγωγή αυτή. Αναφέρεται στον κύκλο παραγωγής αλουµίνας µε πίνακες παραγωγικότητας για κάθε φάση και αναλύει τις δυο βασικές του φάσεις, την προσβολή και τη διάσπαση. Τέλος στο κεφάλαιο 1 παρουσιάζεται συνοπτικά η παράσταση του κύριου κυκλώµατος παραγωγής αλουµίνας και αναλύονται οι ενδιάµεσες φάσεις του που προετοιµάζουν ή συµπληρώνουν τις φάσεις του κύκλου παραγωγής της αλουµίνας. Το κεφάλαιο 2 αναφέρεται στη µοντελοποίηση της άλεσης βωξίτη στον τοµέα αλουµίνα για την παραγωγή αλουµίνας και αλουµινίου. Με τη βοήθεια του παραρτήµατος Α που καλύπτει τις αναγκαίες µαθηµατικές έννοιες και µοντέλα για την ανάλυση των συστηµάτων αυτόµατου ελέγχου στο πεδίο του χρόνου αναφέρεται στη σχεδίαση και στον έλεγχο του βιοµηχανικού συστήµατος άλεσης βωξίτη και της διεργασίας µε ελεγκτή αντίστοιχα. Συγκεκριµένα, παρουσιάζεται η µοντελοποίηση άλεσης βωξίτη συνεχούς χρόνου και εξετάζεται η ευστάθεια του συστήµατος βάση θεωρήµατος ασυµπτωτικής ευστάθειας και κριτηρίων ευστάθειας γραµµικών δυναµικών συστηµάτων. Τέλος µελετάται η µοντελοποίηση ελεγκτή άλεσης βωξίτη στο πεδίο της συχνότητας. Στο κεφάλαιο 3 περιγράφονται µερικές από τις σύγχρονες τεχνικές σχεδίασης συστηµάτων αυτόµατου ελέγχου. Με βάση τις εισαγωγικές έννοιες του παραρτήµατος Α περί βέλτιστου και στοχαστικού ελέγχου συστηµάτων συνεχούς χρόνου, υπολογίζεται ο βέλτιστος γραµµικός ρυθµιστής και ο LQG (Linear Quadratic Gaussian Γραµµικός Τετραγωνικός Γκαουσιανός) ρυθµιστής για το σύστηµα άλεσης βωξίτη. Σελίδα 17 από 134
Το κεφάλαιο 4 αναφέρεται στις παρεµβάσεις αυτοµατισµού για βελτιστοποίηση του µοντέλου της άλεσης βωξίτη. Συγκεκριµένα γίνεται αναφορά σε δυο παρεµβάσεις. Η πρώτη παρέµβαση αφορά την ολίσθηση του κινητήρα και πως αυτή επηρεάζει την ταχύτητα περιστροφής του άξονα της µηχανής, την ισχύς που µετατρέπεται από ηλεκτρική σε µηχανική και την ισχύς εξόδου. Η δεύτερη παρέµβαση γίνεται στο σερβοµηχανισµό θέσης της αντλίας και αναλύεται ο τρόπος µε τον οποίο µπορούµε να παρέµβουµε. Στο κεφάλαιο 5 µελετάται η εφαρµογή των παρεµβάσεων µε σύγκριση των αποτελεσµάτων και τελικά αποτελέσµατα. Το κεφάλαιο 6 περιγράφει την προσοµοίωση (simulink), τους κώδικες και τα γραφήµατα της µοντελοποίησης της άλεσης βωξίτη. Ειδικότερα, µελετάται η προσοµοίωση ασύγχρονου τριφασικού κινητήρα ραβδόµυλου και σφαιρόµυλου, αναφέρεται ο αντίστοιχος κώδικας προσοµοίωσης, υπολογίζεται η αποκρισή του για πραγµατικές εισόδους και εξόδους παραγωγής και εξετάζεται αν το σύστηµα βρίσκεται σε κατάσταση ισορροπίας ή όχι. Τα ίδια βήµατα ακολουθούνται και για τα άλλα τµήµατα της διεργασίας άλεσης βωξίτη. Τέλος επειδή το συνολικό σύστηµα είναι ασταθές γίνεται προσοµοίωση διεργασίας ελεγκτή στο πεδίο της συχνότητας ώστε να έχουµε τα επιθυµητά χαρακτηριστικά. Το κεφάλαιο 7 αναφέρεται στις παρεµβάσεις - εισηγήσεις για βελτιστοποίηση του µοντέλου της άλεσης βωξίτη. Ειδικότερα παρουσιάζονται προσοµοιώσεις, κώδικες και γραφήµατα µε στόχο τη βελτιστοποίηση του συγκεκριµένου τµήµατος της παραγωγής. Στο κεφάλαιο 8 περιγράφονται τα γενικότερα συµπεράσµατα που προκύπτουν από αυτή την πτυχιακή εργασία. Εκτός από τα παραπάνω κεφάλαια, η πτυχιακή αυτή συµπεριλαµβάνει και το εξής παράρτηµα: Το παράρτηµα Α καλύπτει τις εισαγωγικές έννοιες περί αυτόµατου ελέγχου. Ειδικότερα γίνεται µια σύντοµη εισαγωγή στον αυτόµατο έλεγχο, αναφέρονται οι σηµαντικότερες κατηγόριες συστηµάτων και τα µαθηµατικά µοντέλα για την περιγραφή γραµµικών χρονικά αµετάβλητων συστηµάτων συνεχούς και διακριτού χρόνου. Επίσης στο παρόν παράρτηµα µελετάται η έννοια της δειγµατοληψίας, οι µέθοδοι διακριτοποίησης συστηµάτων συνεχούς χρόνου, η µοντελοποίηση συστήµατος ελεγκτή και δυο από τις σύγχρονες τεχνικές ελέγχου, ο βέλτιστος και ο στοχαστικός έλεγχος. Τέλος η πτυχιακή αυτή κλείνει µε µια αρκετά χρήσιµη και ενδιαφέρουσα βιβλιογραφία σε βιβλία και διδακτικές σηµειώσεις για αυτόµατο έλεγχο και µοντελοποίηση παραγωγικών διεργασιών. Σελίδα 18 από 134
Κεφάλαιο 1 Παραγωγή Αλουµίνας και Αλουµινίου 1.1 ΣΧΗΜΑΤΙΚΗ ΠΑΡΑΣΤΑΣΗ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ 1 ΤΟΝΟΥ ΑΛΟΥΜΙΝΙΟΥ Στο παρακάτω σχήµα 1.1α παρουσιάζεται η εποπτική εικόνα παραγωγής 1 τόνου αλουµινίου. Σχήµα 1.1α: Σχηµατική Παράσταση Παραγωγής 1 Τόνου Αλουµινίου Βλέπουµε ότι για την παραγωγή 1 τόνου (T) αλουµινίου χρειάζονται 2 στάδια. Στο πρώτο στάδιο χρησιµοποιούνται τα εξής υλικά: Βωξίτης 4.3 Τ, σόδα 0.06 Τ, Σελίδα 19 από 134
ασβέστης 0.2 Τ, πετρέλαιο 0.7 Τ, νερό 5 Τ, άλατα βαρίου 0.004 Τ, κωκ 0.45 Τ και πίσσα 0.1 Τ. Ο βωξίτης είναι η πρώτη ύλη ή το µετάλλευµα που χρησιµοποιείται περισσότερο στον κόσµο, για την παραγωγή αλουµίνας. Τα τρία βασικά συστατικά του βωξίτη είναι: 1. Η αλουµίνα ή οξείδιο του αλουµινίου (ένωση οξυγόνου και αλουµινίου). 2. Το οξείδιο του σιδήρου (ένωση οξυγόνου και σιδήρου), που δίνει το κοκκινωπό χρώµα στο βωξίτη. 3. Το οξείδιο του πυριτίου (ένωση οξυγόνου και πυριτίου). Ένας βωξίτης είναι καλής ποιότητας, όταν: I. Η περιεκτικότητα του σε αλουµίνα είναι υψηλή. II. Η περιεκτικότητα του σε οξείδιο του πυριτίου είναι χαµηλή. Από ορυκτολογικής απόψεως, απαντώνται στους βωξίτες διάφορα ένυδρα οξείδια του αργιλίου, από τα οποία τα κυριότερα είναι: 1. Ο υδραργιλίτης (Αl 2 O 3 3H 2 O): Συναντάται συνήθως στους τροπικούς βωξίτες. Ο υδραργιλίτης διαλύεται εύκολα σε πυκνό διάλυµα καυστικής σόδας (ΝαΟΗ), σε θερµοκρασία 90-100 ο C. 2. O βαιµίτης (Αl 2 O 3 H 2 O): O βαιµίτης διαλύεται σε πυκνό διάλυµα καυστικής σόδας, αλλά σε υψηλή θερµοκρασία, εποµένως απαιτεί υψηλή πίεση (γαλλικός βωξίτης και κάποιοι των τροπικών). 3. Το διάσπορο (Αl 2 O 3 H 2 O): Το διάσπορο διαλύεται σε πυκνό διάλυµα καυστικής σόδας, σε υψηλή θερµοκρασία και παρουσία καταλύτου. Το διάσπορο απαντάται σε µεγάλη αναλογία στους βωξίτες της κεντρικής και νότιο-ανατολικής Ευρώπης, ιδίως δε στην Ελλάδα και Ρουµανία. Εκτός της Ευρώπης, απαντάται και στους βωξίτες των Ουραλίων, των Ινδιών και της Κίνας. Για τη µέση σύσταση του ελληνικού βωξίτη µπορούµε να αναφέρουµε τον παρακάτω πίνακα. Πίνακας 1.1α: Μέση Σύσταση Ελληνικού Βωξίτη Από τον πίνακα 1.1α βλέπουµε τα συστατικά του ελληνικού βωξίτη, το χηµικό τύπο του κάθε συστατικού του, την επί τοις % αναλογία και τις παρατηρήσεις. Για να διαχωρίσουµε το οξείδιο του αλουµινίου (αλουµίνα) από τα άλλα συστατικά του βωξίτη χρησιµοποιούµε, κάτω από ορισµένες συνθήκες, το διάλυµα σόδας. Σελίδα 20 από 134
Η παρουσία ασβέστη είναι µια από τις συνθήκες που χρησιµοποιούµαι για τη διάλυση της αλουµίνας. Το νερό χρησιµοποιείται για την αραίωση του πλούσιου διαλύµατος σόδα σε αλουµίνα καθώς και για την απαλλαγή των αδιάλυτων συστατικών του βωξίτη τα οποία βρίσκονται στη σόδα υπό µορφή ερυθράς λάσπης. Τα άλατα βαρίου χρησιµοποιούνται για την καυστικοποίηση µε βάριο όπου γίνονται δυο χηµικές διεργασίες οι οποίες αναφέρονται στην παράγραφο 1.7.10. Τέλος µε κωκ και πίσσα έχουµε την παραγωγή των ανόδων που χρησιµοποιούνται στο δεύτερο στάδιο, στο στάδιο της ηλεκτρόλυσης. Τα υλικά αυτά µε κατάλληλη επεξεργασία, η οποία γίνεται µέσα από τις φάσεις της βιοµηχανικής παραγωγής αλουµίνας, παράγουν 2 Τ αλουµίνας και τους ανόδους που χρησιµοποιούνται στην ηλεκτρόλυση. Στο δεύτερο στάδιο, στο στάδιο της ηλεκτρόλυσης έχοντας τους δυο τόνους αλουµίνας και χρησιµοποιώντας φθοριούχο αλουµίνιο 16 Κgs, κρυόλιθο 8 Kgs, τους ανόδους και ηλεκτρική ενέργεια 13.000 KWH έχουµε την τελική παραγωγή ενός τόνου αλουµινίου. 1.2 ΚΥΚΛΟΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΑΛΟΥΜΙΝΑΣ Η παραγωγή αλουµίνας βασίζεται στην µέθοδο που ανέπτυξε το 1980 ο Αυστριακός χηµικός ΒΑYER, και βασίζεται στην ικανότητα που έχει το καυστικό διάλυµα κάτω από ορισµένες συνθήκες, να προσβάλλει το βωξίτη και να διαλύει την αλουµίνα, ενώ τα άλλα συστατικά, κυρίως ο σίδηρος, να µένουν αδιάλυτα ή να σχηµατίζουν αδιάλυτες ενώσεις. Από το όνοµα του ΒΑΥΕR έχει πάρει το όνοµα και η µέθοδος προσβολής. Η µέθοδος ΒΑΥΕR είναι η πλέον διαδεδοµένη και εφαρµόζεται στα εργοστάσια παραγωγής αλουµίνας µε διάφορες παραλλαγές, ανάλογα µε τα χαρακτηριστικά των βωξιτών και την τεχνολογία. Σχήµα 1.2α: Κύκλος Παραγωγής Αλουµίνας Σελίδα 21 από 134
Στο σχήµα 1.2α απεικονίζεται ο κύκλος παραγωγής αλουµίνας. Για την παραγωγή αλουµίνας διακρίνουµε δυο βασικές φάσεις. I. Προσβολή. II. ιάσπαση. Η προσβολή είναι η πρώτη βασική φάση του κύκλου παραγωγής αλουµίνας και είναι ο διαχωρισµός της αλουµίνας από τα άλλα συστατικά του βωξίτη. Η διάσπαση είναι η δεύτερη βασική φάση του κύκλου παραγωγής αλουµίνας και είναι η επανάκτηση της αλουµίνας από το διάλυµα σόδας. Εκτός όµως από τις δυο βασικές φάσεις υπάρχουν και άλλες δυο φάσεις που συµπληρώνουν τον κύκλο παραγωγής αλουµίνας. Αυτές είναι η καθίζηση, όπου γίνεται ο διαχωρισµός υγρών-στερεών, και η συµπύκνωση για να χρησιµοποιηθεί στη πρώτη φάση κλείνοντας έτσι τον κύκλο παραγωγής αλουµίνας. 1.3 ΠΡΟΣΒΟΛΗ O βωξίτης µαζί µε την αλουµίνα και τα αδιάλυτα συστατικά, κυρίως ο σίδηρος, προσβάλλονται από το διάλυµα σόδας, µε αποτέλεσµα να διαλύει την αλουµίνα, ενώ τα άλλα συστατικά να µένουν αδιάλυτα ή να σχηµατίζουν αδιάλυτες ενώσεις. Όπως αναφέραµε η ικανότητα αυτή που έχει το καυστικό διάλυµα να διαλύει την αλουµίνα από τα άλλα συστατικά του βωξίτη, γίνεται κάτω από ορισµένες συνθήκες. Οι συνθήκες αυτές είναι: 1. Καλά αλεσµένος βωξίτης. 2. Προσθήκη ασβεστίου. 3. ιάλυµα σόδας, περιεκτικότητας 240gr/lt και σε ορισµένη αναλογία ως προς το βάρος του βωξίτη. 4. Υψηλή θερµοκρασία 256 258 ο C, που έχει σαν συνέπεια τη χρήση συσκευών υψηλής πίεσης. 5. ιάρκεια παραµονής 2 ώρες περίπου. Σχήµα 1.3α: Προσβολή Σελίδα 22 από 134
Στο σχήµα 1.3α παρουσιάζεται η πρώτη βασική φάση του κύκλου παραγωγής αλουµίνας. Σ αυτό το σηµείο µπορούµε ν αναφέρουµε τον παρακάτω πίνακα παραγωγικότητας µε υπάρχουσες καταστάσεις. Πίνακας 1.3α: Παραγωγικότητα Προσβολής ΣΥΝΟΛΑ ΥΛΙΚΑ ΠΑΡΟΧΕΣ ΒΩΞΙΤΗΣ 174.2 t/h ΑΣΒΕΣΤΗΣ 6.7 t/h ΥΓΡΟ ΠΡΟΣΒΟΛΗΣ (ΣΟ Α) 103.7 m 3 /h ΤΕΛΙΚΟ ΠΡΟΪΟΝ ΣΥΝΟΛΟ ΑΙΩΡΗΜΑ 3.6005Kgr/cm 2 Από τον παραπάνω πίνακα βλέπουµε τις συνολικές παροχές των υλικών και του τελικού προϊόντος. Οι παροχές του βωξίτη και του ασβέστη είναι σε τόνοι ανά ώρα (t/h), ενώ του υγρού προσβολής σε κυβικά µέτρα ανά ώρα (m 3 /h). Το µίγµα αυτών των τριών υλικών δίνει το τελικό προϊόν που είναι το αιώρηµα. Για να υπολογίσουµε την παροχή του αιωρήµατος πρέπει να µετατρέψουµε τις παροχές των υλικών σε χιλιογραµµάρια ανά τετραγωνικά εκατοστά (Kgr/cm 2 ). Από τον πίνακα βλέπουµε ότι η συνολική παροχή του αιωρήµατος είναι 3.6005 Kgr/cm 2. Ο αλεσµένος βωξίτης µε την ανάλογη ποσότητα ασβέστη και το ανάλογο διάλυµα σόδας φτωχό σε αλουµίνα (αιώρηµα) οδηγείται µε πίεση σε δύο σειρές δοχείων, τα αυτόκλειστα, που θερµαίνονται µε ατµό. Στα αυτόκλειστα θα πραγµατοποιηθεί η διάλυση της αλουµίνας, που βρίσκεται µέσα στο βωξίτη. Η κυκλοφορία και η θέρµανση στους 256 258 ο C εξασφαλίζεται σε µια σειρά από αυτόκλειστα συνδεδεµένα µεταξύ τους. Τα αυτόκλειστα είναι κυλινδρικά κλειστά δοχεία µε χονδρά τοιχώµατα εξοπλισµένα εσωτερικά µε πολλές δέσµες σωλήνων. Μέσα στις δέσµες κυκλοφορεί ο ατµός για τη θέρµανση του αιωρήµατος, ενώ µια κατακόρυφη ανάδευση εξασφαλίζει την κίνηση του αιωρήµατος ανάµεσα στις δέσµες των σωλήνων για διευκόλυνση της εναλλαγής θερµότητας (ατµού-αιώρηµα µέσω του τοιχώµατος των λεπτών σωλήνων ) και τη διατήρηση των στερεών σε αιώρηση. Τα αυτόκλειστα, ανάλογα µε τον ρόλο που έχουν και τον τρόπο που θερµαίνονται, χωρίζονται σε: I. Αυτόκλειστα προθερµαντήρες. II. Αυτόκλειστα αντιδραστήρες. III. Αυτόκλειστα παραµονής. Καθώς το αιώρηµα εισέρχεται στα αυτόκλειστα προθερµαντήρες, θερµαίνεται από τους 70-75 ο C στους 185-195 ο C µε ατµό από τους εκτονωτές, ενώ αποβάλλονται τα ατµόνερα που περιέχουν σόδα. Οι εκτονωτές είναι κυλινδρικά κλειστά δοχεία, συνήθως ένα για κάθε προθερµαντήρα, µέσα στα οποία γίνεται η εκτόνωση του ζεστού αιωρήµατος και ο παραγόµενος ατµός πηγαίνει στον προθερµαντήρα που είναι συνδεδεµένος. Μετά τα αυτόκλειστα προθερµαντήρες το αιώρηµα πηγαίνει στα αυτόκλειστα αντιδραστήρες. Στα αυτόκλειστα αντιδραστήρες το αιώρηµα θερµαίνεται από τους 185-195 ο C στους 256-258 ο C µε ζωντανό ατµό από το τµήµα ενέργειας, ενώ τα ατµόνερα αποβάλλονται και πηγαίνουν στο τµήµα ενέργειας. Στη συνέχεια το αιώρηµα εισέρχεται στα αυτόκλειστα παραµονής για να ολοκληρωθεί η αντίδραση. Στα αυτόκλειστα παραµονής δίνεται ο χρόνος ολοκλήρωσης της προσβολής. Είναι όπως τα άλλα αυτόκλειστα χωρίς όµως να έχουν δέσµες από σωλήνες για θέρµανση εκτός από δυο. Αυτό γίνεται ώστε να διατηρείται η θερµοκρασία του Σελίδα 23 από 134
αιωρήµατος ως το τέλος. Όπως και στα αυτόκλειστα αντιδραστήρες έτσι και εδώ, τα αυτόκλειστα θερµαίνονται µε ζωντανό ατµό από το τµήµα ενέργειας, ενώ έχουµε αποβολή των ατµόνερων στο τµήµα ενέργειας. Στη συνέχεια το αιώρηµα πηγαίνει στους εκτονωτές. Στους εκτονωτές το αιώρηµα θα υποστεί την εκτόνωση. Στο καθένα από αυτούς, το αιώρηµα βρίσκεται σε µια πίεση µικρότερη από την πίεση ισορροπίας του σηµείου βρασµού, µε τη θερµοκρασία που έχει το αιώρηµα εκείνη τη στιγµή. Αποτέλεσµα αυτής της µεταβολής, είναι η εξάτµιση (παραγωγή ατµού) µέρους του νερού που έχει το υγρό διάλυµα µέχρι να επέλθει µια νέα ισορροπία (ένα νέο σηµείο βρασµού) σε µικρότερη πίεση και θερµοκρασία. Μετά τη ψύξη του αιωρήµατος από τις διαδοχικές εκτονώσεις, το αιώρηµα το οποίο περιέχει στη σόδα, µε τη µορφή ερυθράς λάσπης τα αδιάλυτα συστατικά του βωξίτη, αραιώνεται µε διαυγές του 1 ου και του 11 ου πλυντηρίου. Σκοπός της αραίωσης είναι να προετοιµάσει την ανάκτηση της αλουµίνας και να διευκολύνει την καθίζηση της ερυθράς λάσπης στα δοχεία καθιζήσεως. Στους καθιζητήρες γίνεται ο διαχωρισµός του διαλύµατος σόδας πλούσιο σε αλουµίνα, το οποίο είναι το αλουµινάτ, από την ερυθρά λάσπη. 1.4 ΚΑΘΙΖΗΣΗ Μετά την προσβολή το αιώρηµα και το διάλυµα σόδας πλούσιο σε αλουµίνα µέσω αντλιών µεταφέρεται στο τµήµα της καθίζησης. Οι συνολικές παροχές των προϊόντων που εισέρχονται και εξέρχονται από το τµήµα της καθίζησης αναφέρονται στον παρακάτω πίνακα παραγωγικότητας. Πίνακας 1.4α: Παραγωγικότητα Καθίζησης ΣΥΝΟΛΑ ΠΡΟΪΟΝΤΑ ΠΑΡΟΧΕΣ ΑΙΩΡΗΜΑ 7.299 Kgr/cm 2 ΥΓΡΟ ΙΑΛΥΜΑ ΠΛΟΥΣΙΟ ΣΕ ΑΛΟΥΜΙΝΑ 4.755 Kgr/cm 2 Α ΙΑΛΥΤΑ ΣΥΣΤΑΤΙΚΑ 0.002544 t/h Επειδή το αιώρηµα µετά το τµήµα της προσβολής αραιώνεται µε 3.6985 Kgr/cm 2 νερό, η παροχή του αιωρήµατος θα αυξηθεί και θα γίνει 7.299 Kgr/cm 2. Στην καθίζηση θα γίνει ο διαχωρισµός του αλουµινάτ (υγρό διάλυµα πλούσιο σε αλουµίνα) από την ερυθρά λάσπη (αδιάλυτα συστατικά). Η λάσπη βαρύτερη κατακαθίζει στον πυθµένα των δεξαµενών και εξάγεται από το κάτω µέρος προς τα πλυντήρια. Η λάσπη στη συνέχεια πλένεται και ύστερα από πέντε διαδοχικές πλύσεις µε νερό απαλλάσσεται τελείως από το αλουµινάτ το οποίο έχει παρασυρθεί κατά την έξοδο της από τις δεξαµενές καθιζήσεως. Αντίθετα το νερό που χρησιµοποιήθηκε εµπλουτίζεται σε αλουµινάτ και χρησιµοποιείται όπως έχουµε αναφέρει για την αραίωση του αιωρήµατος µετά την προσβολή (διαυγές 1 ου και 11 ου πλυντηρίου). 1.5 ΙΑΣΠΑΣΗ Μετά την καθίζηση το υγρό διάλυµα πλούσιο σε αλουµίνα µεταφέρεται στο τµήµα της διάσπασης που είναι η δεύτερη βασική φάση του κύκλου παραγωγής Σελίδα 24 από 134
αλουµίνας. Η διάσπαση είναι η χηµική αντίδραση όπου κάτω από ορισµένες προϋποθέσεις πραγµατοποιείται η κρυστάλλωση της διαλυµένης αλουµίνας. Σχήµα 1.5α: ιάσπαση Στο σχήµα 1.5α βλέπουµε τη σχηµατική παράσταση της διάσπασης. Ο πίνακας παραγωγικότητας µε τις υπάρχουσες καταστάσεις των προϊόντων παρουσιάζεται παρακάτω. Πίνακας 1.5α: Παραγωγικότητα ιάσπασης ΣΥΝΟΛΑ ΠΡΟΪΟΝΤΑ ΠΑΡΟΧΕΣ ΥΓΡΟ ΙΑΛΥΜΑ ΠΛΟΥΣΙΟ ΣΕ ΑΛΟΥΜΙΝΑ 4.755 Kgr/cm 2 ΥΓΡΟ ΙΑΛΥΜΑ ΦΤΩΧΟ ΣΕ ΑΛΟΥΜΙΝΑ 1.114 Kgr/cm 2 ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΣΥΝΟΛΟ ΑΛΟΥΜΙΝΑ 0.003641 t/h Από τον πίνακα παραγωγικότητας παρατηρούµε ότι για µια συγκεκριµένη χρονική στιγµή t η παραγωγή αλουµίνας είναι 0.003641 t/h. Μετά την αραίωση, αφού έχουµε συγκρατήσει τη λάσπη που µεταφέρει το αλουµινάτ µε ειδικά φίλτρα, έχει θερµοκρασία περίπου 105 0 C και περνάει από τους εναλλάκτες τύπου ALFA-LAVAL όπου ψύχεται στη θερµοκρασία των 62 0 C περίπου. Η θερµοκρασία αυτή είναι απαραίτητη για τη φάση της διάσπασης. Εδώ πρέπει ν αναφέρουµε ότι για τη ψύξη του αλουµινάτ, θερµαίνουµε διαδοχικώς τα εξής υγρά: 1. Το διαυγές του 2 ου και 12 ου πλυντηρίου. 2. Το φτωχό σε αλουµίνα διάλυµα σόδας µετά τη διάσπαση που ονοµάζουµε διαυγές διασπάσεως ή CLAIR DECOMPOSE. 3. Νερό, που στη συνέχεια οδηγείται στην πλύση των λασπών για τη φάση της πλύσεως. Στη συνέχεια στο αλουµινάτ προστίθεται µια µεγάλη ποσότητα ένυδρης αλουµίνας (µαγιά) η οποία προέρχεται από τα περιστρεφόµενα δισκόφιλτρα του τµήµατος της λευκής διήθησης. Αυτό γίνεται έτσι ώστε να έχουµε επιτάχυνση της αντιδράσεως της διασπάσεως. Εκτός όµως από την παρουσία ένυδρης αλουµίνας, απαραίτητη προϋπόθεση είναι και ο χρόνος παραµονής ο οποίος υπολογίζεται περίπου στις 30 µε 36 ώρες. Η ανάµειξη µε την ένυδρη αλουµίνα από τα φίλτρα και ο Σελίδα 25 από 134
χρόνος παραµονής µε ανάδευση γίνεται στη δεξαµενή διεγέρσεως που ονοµάζεται AMORCE. Το αιώρηµα που τώρα είναι ένυδρη αλουµίνα και υγρό διάλυµα, από τη δεξαµενή διεγέρσεως µεταφέρεται µέσω αντλιών και µοιράζεται σε δυο σειρές διασπαστών όπου εκεί πραγµατοποιείται η κρυστάλλωση της διαλυµένης αλουµίνας. Η µεταφορά από τον έναν διασπαστή στον άλλον γίνεται µε ελεύθερη ροή λόγω διαφοράς ύψους µέχρι να καταλήξει στο διασπαστή Νο 15. Από το διασπαστή Νο 15 µέσω αντλιών µεταφέρεται, µια κύρια ποσότητα στο διασπαστή Νο 1 που συνδέεται µε τα φίλτρα διεγέρσεως, στους ταξινοµητές όπου γίνεται ο διαχωρισµός της αλουµίνας για την παραγωγή και µια µικρή ποσότητα στο τµήµα του βαρίου. Οι διασπαστές είναι µεγάλες κυλινδρικές δεξαµενές, ύψους 30 µ. µε διάµετρο 12 µ. χωρητικότητας 3000 m 3 εξοπλισµένοι µε ανάδευση. Η ανάδευση διατηρεί σε αιώρηση τη στερεά αλουµίνα και ανανεώνει συνέχεια την επαφή της µε το υγρό διάλυµα για διάσπαση ώστε να επιταχύνει τη διάσπαση. Η διάσπαση στην αρχή είναι έντονη όπου και διαµορφώνονται τα χαρακτηριστικά της αλουµίνας που κρυσταλλώνεται και συνεχίζει επιβραδυνόµενη έως το τέλος. Η απόδοση της διάσπασης είναι καθοριστική, γιατί όσο περισσότερη αλουµίνα κρυσταλλωθεί, τόσο περισσότερη αλουµίνα µπορεί να ξαναδιαλύσει το υγρό διάλυµα, όταν αυτό ξαναπεράσει στην προσβολή. Επίσης σηµαντικό ρόλο παίζει και η θερµοκρασία στην είσοδο της διάσπασης η οποία είναι καθοριστική για την απόδοση της διάσπασης, αλλά και για τα χαρακτηριστικά της ένυδρης αλουµίνας. Σηµαντικό επίσης είναι ότι έχοντας χαµηλότερη θερµοκρασία ευνοεί την παραγωγικότητα, αλλά η αλουµίνα που παράγεται είναι λεπτόκοκκοι και λιγότερο κατάλληλη για την ηλεκτρόλυση (ποιότητα αλουµίνας). Μετά την ολοκλήρωση της διάσπασης το αιώρηµα που είναι στερεά αλουµίνα και υγρό διάλυµα διάσπασης διηθείται σε περιστρεφόµενα δισκόφιλτρα. Εκεί η ποσότητα της στερεά αλουµίνας χωρίζεται σε δυο: I. Μια ποσότητα Α που επανέρχεται στη φάση της διασπάσεως, όπως ήδη αναφέραµε, έτσι ώστε να χρησιµοποιηθεί στη διευκόλυνση της αντιδράσεως της διάσπασης που γίνεται στην δεξαµενή (ΑΜΟRCE). II. Μια άλλη ποσότητα Π, που τροφοδοτεί τους φούρνους και είναι η πραγµατική παραγωγή του εργοστασίου. Αντίθετα µε τη στερεά αλουµίνα, το υγρό διάλυµα (διαυγές διασπάσεως) φτωχό σε αλουµίνα καταλήγει στην εξάτµιση. 1.6 ΣΥΜΠΥΚΝΩΣΗ Στην εξάτµιση το υγρό διάλυµα φτωχό σε αλουµίνα συµπυκνώνεται για να χρησιµοποιηθεί εκ νέου στην πρώτη βασική φάση. Στη συµπύκνωση ο πίνακας παραγωγικότητας είναι ο εξής: Πίνακας 1.6α: Παραγωγικότητα Συµπύκνωσης ΣΥΝΟΛΑ ΠΡΟΪΟΝΤΑ ΠΑΡΟΧΕΣ ΥΓΡΟ ΙΑΛΥΜΑ ΦΤΩΧΟ ΣΕ ΑΛΟΥΜΙΝΑ 1.114 Kgr/cm 2 ΣΥΜΠΥΚΝΩΣΗ ΣΥΝΟΛΟ ΥΓΡΟ ΙΑΛΥΜΑ ΦΤΩΧΟ ΣΕ ΑΛΟΥΜΙΝΑ 2.171 Kgr/cm 2 Σελίδα 26 από 134
Η συµπύκνωση είναι το τελευταίο στάδιο του κύκλου παραγωγής αλουµίνας. Έτσι κλείνει ένας κύκλος παραγωγής αλουµίνας και αρχίζει ένας νέος. 1.7 ΣΥΝΟΠΤΙΚΗ ΠΑΡΑΣΤΑΣΗ ΚΥΡΙΟΥ ΚΥΚΛΩΜΑΤΟΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΑΛΟΥΜΙΝΑΣ Εκτός όµως από τις τέσσερις φάσεις του κύκλου παραγωγής αλουµίνας, έχουµε και άλλες ενδιάµεσες φάσεις, οι οποίες προετοιµάζουν τις πρώτες ή συµπληρώνουν αυτές. Σχήµα 1.7α: Συνοπτική Παράσταση Κύριου Κυκλώµατος Παραγωγής Αλουµίνας Όπως παρατηρείται στο σχήµα 1.7α για την παραγωγή αλουµίνας χρησιµοποιείται σαν πρώτη ύλη βωξίτης, αφού η αλουµίνα ή οξείδιο του αλουµινίου είναι ένα από τα τρία βασικά συστατικά του. Στη συνέχεια ο βωξίτης µεταφέρεται Σελίδα 27 από 134
στο τµήµα της θραύσης όπου και έχουµε το σπάσιµο του βωξίτη από τα µεγάλα κοµµάτια που φθάνουν από τα µεταλλεία σε κοµµάτια µικρότερα των 25 χιλ. 1.7.1 ΘΡΑΥΣΗ Το τµήµα της θραύσης περιλαµβάνει µια αλυσίδα σπαστήρων η οποία περιέχει: υο χοάνες τροφοδοσίας: Την 601 που είναι στην έξοδο της αλυσίδας και τροφοδοτείται µόνο µε βωξίτη Ηλιόπουλου ο οποίος είναι ήδη σπασµένος. Την 602 που είναι στην είσοδο της αλυσίδας και τροφοδοτείται µε βωξίτη κυρίως µικτό. Εκτός όµως από τις δυο χοάνες τροφοδοσίας περιλαµβάνει: υο εξαγωγείς τροφοδότες 601-602. Ένα σπαστήρα µε σιαγώνες (ΜΑCHOIRES). υο περιστροφικούς σπαστήρες (GIRATOIRES). ιάφορα κόσκινα. ιάφορες ταινίες. Υδραυλικό σφυρί. Σχήµα 1.7.1α: Αλυσίδα Σπαστήρων Στο σχήµα 1.7.1α βλέπουµε τη λειτουργία της αλυσίδας σπαστήρων του τµήµατος θραύσης. Με φορτωτή ο βωξίτης, συνήθως µικτός, φτάνει στη χοάνη 602 όπου είναι η είσοδος της αλυσίδας των σπαστήρων. Η αρχή της λειτουργίας γίνεται µε το υδραυλικό σφυρί όπου σπάει τα µεγάλα κοµµάτια που δεν περνούν από τη σχάρα της χοάνης 602. Στη συνέχεια ο βωξίτης περνάει από τον εξαγωγέα 602. Σελίδα 28 από 134
Με τους εξαγωγείς ρυθµίζουµε τη τροφοδοσία µε βωξίτη και η λειτουργία τους βασίζεται στις κινήσεις που προκαλεί ένα περιστρεφόµενο σώµα, µε το κέντρο βάρος του έξω από τον άξονα περιστροφής. Εκεί µε αυξοµείωση των στροφών του γίνεται η ρύθµιση της ποσότητας του βωξίτη στα επιθυµητά όρια. Στην έξοδο του εξαγωγέα 602 γίνεται η πρώτη διαλογή και ο βωξίτης µεγαλύτερος των 150 χιλιοστών πέφτει στο σπαστήρα µε σιαγώνες. Η διαλογή πριν τους σπαστήρες γίνεται µε τα κόσκινα ώστε να µην περάσει στο σπαστήρα βωξίτης που είναι ήδη σπασµένος. Ο σπαστήρας µε σιαγώνες αποτελείται από το σώµα του σπαστήρα, όπου είναι προσαρµοσµένη η σταθερή σιαγώνα και τον µηχανισµό κίνησης όπου είναι προσαρµοσµένη η κινητή σιαγώνα. Με το ανοιγοκλείσιµο της κινητής σιαγώνας επιτρέπουµε κατά το άνοιγµα την είσοδο του βωξίτη ανάµεσα στις σιαγώνες και το σπάσιµο κατά το κλείσιµο. Οι δυο σιαγώνες είναι καλυµµένες µε πλάκες από µαγγανιούχο χάλυβα για να αντέχουν στις φθορές. Η θέση της κινητής σιαγώνας ρυθµίζεται έτσι ώστε να καλύπτονται οι φθορές και να σπάει ο βωξίτης στο επιθυµητό µέγεθος (< 150 χιλιοστά). Όταν οι πλάκες φθαρούν και δεν είναι δυνατό να γίνει ρύθµιση, τότε γίνεται µια πρώτη αντιστροφή θέσεων επειδή οι πλάκες φθείρονται κυρίως στο κέντρο και µετά αλλάζονται. Μετά τη διαλογή και το σπαστήρα µε σιαγώνες ο βωξίτης, µικρότερος των 150 χιλιοστών, µέσω ταινιών 602 και 603, µεταφέρεται στη δεύτερη και τελευταία διαλογή για να περάσει µέσα από τους σπαστήρες βωξίτης µεγαλύτερος των 50 χιλιοστών. Αφού γίνει η διαλογή, ο βωξίτης µεγαλύτερος των 50 χιλιοστών περνάει µέσω της ταινίας 604, σε δυο περιστροφικούς σπαστήρες ενώ ο βωξίτης µικρότερος των 50 χιλιοστών, µέσω των ταινιών 605 και 3 συνεχίζει προς τις χοάνες τροφοδοσίας των µύλων. Οι σπαστήρες αυτού του τύπου αποτελούνται από το σταθερό µέρος, όπου είναι προσαρµοσµένη η σταθερή θραυστική επιφάνεια µε µορφή κόλουρου κώνου και το κινητό, όπου είναι προσαρµοσµένος και κινείται ο κινητός κώνος. Το σπάσιµο του βωξίτη σ αυτούς τους σπαστήρες γίνεται µε τον κινητό κώνο ο οποίος κινείται µέσα στο σταθερό κώνο και λόγω της έκκεντρης στήριξης του αυξοµειώνει την απόσταση του από το σταθερό κώνο. υο υδραυλικά συστήµατα δίνουν τη δυνατότητα ρύθµισης της απόστασης µεταξύ του σταθερού και κινητού κώνου ώστε να σπάει ο βωξίτης στο επιθυµητό µέγεθος (<50 χιλιοστά) καθώς και τη δυνατότητα να ανοιγοκλείνει ο σπαστήρας σε περίπτωση µπλοκαρίσµατος ή βουλώµατος του. Μετά τους περιστροφικούς σπαστήρες ο σπασµένος βωξίτης συνεχίζει και συναντάει τη διαλογή που γίνεται από τον εξαγωγέα 601 της χοάνης 601. Η χοάνη 601 είναι στην έξοδο της αλυσίδας και τροφοδοτείται µόνο µε βωξίτη Ηλιόπουλου ήδη σπασµένο. Και σ αυτή την περίπτωση η διαλογή γίνεται ώστε να περάσει βωξίτης µικρότερος των 50 χιλιοστών, ο αναγκαίος για την τροφοδοσία των µύλων άλεσης. 1.7.2 ΑΛΕΣΗ Μετά το τµήµα της θραύσης ο βωξίτης κατάλληλα σπασµένος τροφοδοτείται στους µύλους άλεσης. Στο τµήµα της άλεσης γίνεται η άλεση του σπασµένου βωξίτη σε πολύ λεπτούς κόκκους, ώστε να δοθεί η δυνατότητα στο καυστικό διάλυµα να διαλύσει όλη την αλουµίνα που περιέχει ο βωξίτης και να έχουµε αποτελεσµατική προσβολή. Η άλεση του βωξίτη πραγµατοποιείται σε µύλους υγρής άλεσης. Η υγρή άλεση περιλαµβάνει: Σελίδα 29 από 134
2 ραβδόµυλους, τους BaB 1 και ΒaB 2. 4 σφαιρόµυλους, τους FL 1-3-4-5. Σχήµα 1.7.2α: Κύκλωµα Άλεσης Σύµφωνα µε το σχήµα 1.7.2α ο σπασµένος βωξίτης µικρότερος των 50 χιλιοστών µε ορισµένη ποσότητα σόδας (L.A) και ασβέστη αλέθεται στους ραβδόµυλους 1 και 2 σε κοµµάτια µικρότερα των 1.5 χιλιοστών. Εδώ πρέπει να αναφέρουµε ότι η ποσότητα ασβέστη τροφοδοτείται από δυο φούρνους ασβέστη οι οποίοι είναι περιστρεφόµενοι και θερµαινόµενοι µε πετρέλαιο. Οι δυο φούρνοι παράγουν από ασβεστόλιθο την αναγκαία ποσότητα ασβέστη ο οποίος τροφοδοτεί τα εξής σηµεία του κύριου κυκλώµατος παραγωγής αλουµίνας: 1. Το τµήµα της άλεσης. 2. Το τµήµα της ερυθράς διήθησης για τη διευκόλυνση της διήθησης. 3. Την καυστικοποίηση του διαυγούς στα πρώτα πλυντήρια. Όπως βλέπουµε από το σχήµα 1.7.2α το αιώρηµα από την έξοδο των ραβδόµυλων πέφτει στη δεξαµενή εξόδου των σφαιρόµυλων στην οποία προσθέτουµε µια µεγάλη ποσότητα L.A. Από τη δεξαµενή αυτή το αιώρηµα στέλνεται µε αντλία στους κυκλώνες των σφαιρόµυλων όπου γίνεται διαχωρισµός στο καλά αλεσµένο, που κατευθύνεται στις δεξαµενές προσβολής, και στο όχι καλά αλεσµένο, που κατευθύνεται στους σφαιρόµυλους για να ολοκληρωθεί η άλεση. Σ αυτό το σηµείο πρέπει ν αναφέρουµε, ότι στην άλεση σηµαντικό ρόλο παίζει η κοκκοµετρία του αλεσµένου βωξίτη. Αυτή ελέγχεται αυστηρά µε δειγµατοληψίες, γιατί µη καλά αλεσµένος βωξίτης έχει σαν αποτέλεσµα την κακή προσβολή (διάλυση της αλουµίνας) µε συνέπεια τη σπατάλη βωξίτη και ενέργειας, την απώλεια παραγωγής και προβλήµατα σε άλλα τµήµατα. 1.7.3 ΑΡΑΙΩΣΗ Μετά την άλεση, το αιώρηµα στέλνεται στο τµήµα της προσβολής όπου το καυστικό διάλυµα, όπως έχουµε αναφέρει, θα διαλύσει την αλουµίνα από τα άλλα συστατικά του βωξίτη. Μετά τα στάδια της προσβολής, όπως έχουµε επίσης αναφέρει στην παράγραφο 1.3, το διάλυµα σόδας πλούσιο σε αλουµίνα αραιώνεται. Σκοπός της αραίωσης είναι να προετοιµάσει την ανάκτηση της αλουµίνας και να διευκολύνει την καθίζηση της ερυθράς λάσπης, που είναι τα αδιάλυτα συστατικά του βωξίτη, στις δεξαµενές καθιζήσεως. Στο τµήµα της καθίζησης θα γίνει ο διαχωρισµός της ερυθράς λάσπης από το αλουµινάτ. Σελίδα 30 από 134
1.7.4 ΠΛΥΣΗ Μετά το διαχωρισµό της λάσπης, η λάσπη εξάγεται από το κάτω µέρος των δεξαµενών προς τα πλυντήρια. Εκεί πλένεται και ύστερα από πέντε διαδοχικές πλύσεις µε νερό απαλλάσσεται τελείως από το αλουµινάτ το οποίο έχει παρασύρει µαζί της. Το νερό που χρησιµοποιήθηκε εµπλουτίζεται σε αλουµινάτ και χρησιµοποιείται για την αραίωση του αιωρήµατος µετά την προσβολή. 1.7.5 ΕΡΥΘΡΑ ΙΗΘΗΣΗ Το αλουµινάτ το οποίο εξέρχεται από τις δεξαµενές καθιζήσεως, συµπαρασύρει µια µικρή ποσότητα λεπτής λάσπης. Για να τη συγκρατήσουµε, χρησιµοποιούµε τα φίλτρα της ερυθράς διήθησης. 1.7.6 ΕΝΑΛΛΑΚΤΕΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ Μετά το τµήµα της ερυθράς διήθησης το αλουµινάτ έχει θερµοκρασία περίπου 105 0 C και περνάει από τους εναλλάκτες τύπου ALFA-LAVAL όπου ψύχεται στη θερµοκρασία των 62 0 C περίπου. Η ψύξη του αλουµινάτ επιτυγχάνεται θερµαίνοντας διαδοχικά τα υγρά που αναφέρονται στην παράγραφο 1.5. Σύµφωνα µε το σχήµα 1.5α οι εναλλάκτες θερµότητας είναι απαραίτητοι για τη φάση της διάσπασης. 1.7.7 ΙΑΧΩΡΙΣΜΟΣ Μετά την ολοκλήρωση της διάσπασης, ένα µέρος του αιωρήµατος που είναι ένυδρη αλουµίνα και υγρό διάλυµα διάσπασης πηγαίνει στους ταξινοµητές. Το υγρό διάλυµα διάσπασης είναι διάλυµα σόδας φτωχό σε αλουµίνα. Εκεί γίνεται διαχωρισµός της αλουµίνας, δηλαδή η χονδρή αλουµίνα µέσω φίλτρων που χρησιµοποιεί το τµήµα της λευκής διήθησης πηγαίνει στο τµήµα της διαπύρωσης για παραγωγή και η ψιλή στη λευκή διήθηση. 1.7.8 ΛΕΥΚΗ ΙΗΘΗΣΗ Το άλλο µέρος του αιωρήµατος που προκύπτει από τη διάσπαση και η ψιλή αλουµίνα που προκύπτει από το διαχωρισµό καταλήγουν στη λευκή διήθηση. Στη φάση αυτή η ποσότητα της στερεάς αλουµίνας εισέρχεται σε περιστρεφόµενα δισκόφιλτρα όπου χωρίζεται σε δύο: Μια ποσότητα Α που επανέρχεται στη φάση της διασπάσεως, όπως ήδη έχουµε αναφέρει, για τη διευκόλυνση της αντιδράσεως στη δεξαµενή (ΑΜΟRCE). Μια άλλη ποσότητα Π, που τροφοδοτεί τους φούρνους και είναι η πραγµατική παραγωγή του εργοστασίου. Αντίθετα µε τη διαδικασία που ακολουθεί η στερεά αλουµίνα, το διάλυµα σόδας φτωχό σε αλουµίνα (διαυγές διασπάσεως) καταλήγει στο βάριο. Σελίδα 31 από 134
1.7.9 ΙΑΠΥΡΩΣΗ Η ποσότητα ένυδρης αλουµίνας Π την οποία πήραµε από τη λευκή διήθηση, αφού πλυθεί µε αποσταγµένο νερό σε περιστρεφόµενα κυλινδρικά φίλτρα που λειτουργούν υπό κενό, ψήνεται σε δύο περιστρεφόµενους κυλινδρικούς φούρνους και σε ένα στατικό, στη θερµοκρασία των 1050 ο C. Κατά την έξοδο της αλουµίνας από τους φούρνους, ψηµένη πλέον, είναι έτοιµη να χρησιµοποιηθεί για την παραγωγή αλουµινίου. 1.7.10 ΚΑΥΣΤΙΚΟΠΟΙΗΣΗ ΜΕ ΒΑΡΙΟ Από τη λευκή διήθηση µια µεγάλη ποσότητα του διαυγούς διασπάσεως στέλνεται στο τµήµα του βαρίου. Εκεί η ανθρακική σόδα (καρµπονάτα), η οποία συσσωρεύτηκε στο διάλυµα κατά τη φάση της προσβολής από τα συστατικά του βωξίτη, θα έλθει σε επαφή µε το αργιλικό βάριο και θα καυστικοποιηθεί. 1.7.11 ΕΞΑΤΜΙΣΗ Το διαυγές της διάσπασης µετά την καυστικοποίηση µε βάριο θερµαίνεται στους εναλλάκτες και στη συνέχεια πηγαίνει στην εξάτµιση για να συµπυκνωθεί και ν αρχίσει ένα νέο κύκλο παραγωγής αλουµίνας. 1.8 ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΑΣ ΑΛΕΣΗΣ ΒΩΞΙΤΗ Στον παρόν κεφάλαιο αντικείµενο µελέτης αποτέλεσαν οι φάσεις παραγωγής αλουµίνας και αλουµινίου. Πέρα από τις φάσεις παραγωγής αλουµίνας και αλουµινίου και των υλικών που χρησιµοποιούνται για την παραγωγή αυτή, µεγάλη σηµασία έχει να δούµε το πώς µοντελοποιείται η υπάρχουσα κατάσταση της παραγωγής. Η µοντελοποίηση αποτελεί το κύριο και πιο ουσιαστικό εδάφιο αυτής της πτυχιακής. Εµείς θα ασχοληθούµε µε την µοντελοποίηση µιας από των φάσεων παραγωγής αλουµίνας, την άλεση βωξίτη, η οποία παρουσιάζεται αναλυτικά στο κεφάλαιο 2. Σελίδα 32 από 134
Κεφάλαιο 2 Μοντελοποίηση Βιοµηχανίας Άλεσης Βωξίτη για την Παραγωγή Αλουµίνας και Αλουµινίου Περιληπτικά, στο παρόν κεφάλαιο, αντικείµενο µελέτης αποτελεί η µοντελοποίηση βιοµηχανίας άλεσης βωξίτη για την παραγωγή αλουµίνας και αλουµινίου. Συγκεκριµένα αναφέρεται στη σχεδίαση και στον έλεγχο του βιοµηχανικού συστήµατος άλεσης βωξίτη και της διεργασίας µε ελεγκτή αντίστοιχα. Γίνεται µια σύντοµη παρουσίαση του συστήµατος ελέγχου - χειρισµού - εποπτείας της συγκεκριµένης βιοµηχανίας, µελετάται η µοντελοποίηση άλεσης βωξίτη συνεχούς χρόνου και εξετάζεται η ευστάθεια του συστήµατος βάση θεωρήµατος ασυµπτωτικής ευστάθειας και κριτηρίων ευστάθειας γραµµικών δυναµικών συστηµάτων. Τέλος µας δίνει τη µοντελοποίηση ελεγκτή άλεσης βωξίτη στο πεδίο της συχνότητας. 2.1 ΣΧΕ ΙΑΣΗ ΚΑΙ ΕΛΕΓΧΟΣ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΑΛΕΣΗΣ ΒΩΞΙΤΗ Σύµφωνα µε την παράγραφο 1.7.2 στο κεφάλαιο 1, µετά το τµήµα της θραύσης ο βωξίτης κατάλληλα σπασµένος τροφοδοτείται στους µύλους άλεσης. Στο τµήµα της άλεσης γίνεται η άλεση του σπασµένου βωξίτη σε πολύ λεπτούς κόκκους, ώστε να δοθεί η δυνατότητα στο καυστικό διάλυµα να διαλύσει όλη την αλουµίνα που περιέχει ο βωξίτης και να έχουµε αποτελεσµατική προσβολή. Η άλεση του βωξίτη πραγµατοποιείται σε µύλους υγρής άλεσης και περιλαµβάνει 2 ραβδόµυλους, τους BaB 1 και ΒaB 2 και 4 σφαιρόµυλους, τους FL 1-3-4-5. Το παρακάτω σχήµα µας δίνει µια εποπτική εικόνα του κυκλώµατος άλεσης βωξίτη. Σχήµα 2.1α: Κύκλωµα Άλεσης Σύµφωνα µε το σχήµα 2.1α ο σπασµένος βωξίτης µικρότερος των 50 χιλιοστών µε ορισµένη ποσότητα σόδας (L.A) και ασβέστη αλέθεται στους ραβδόµυλους 1 και 2 σε κοµµάτια µικρότερα των 1.5 χιλιοστών. Στη συνέχεια το αιώρηµα από την έξοδο των ραβδόµυλων πέφτει στη δεξαµενή εξόδου των σφαιρόµυλων στην οποία προσθέτουµε µια µεγάλη ποσότητα L.A. Από τη δεξαµενή Σελίδα 33 από 134