Modeling, simulation and optimization of ceramics production processes

Abstract

The manufacturing process of ceramic building materials is exceptionally energy-intensive, involving several critical stages such as raw material extraction, mixing, shaping, drying, and firing. Each of these stages requires strict energy management to ensure efficiency and quality. Drying and firing, in particular, demand substantial energy inputs. The drying process necessitates a controlled environment to remove moisture from the wet materials, which typically involves the use of heated air, often generated by burning fossil fuels such as natural gas. This step is crucial to prevent defects during firing but is also energy demanding. Firing, the next vital stage, involves heating the dried materials to extremely high temperatures to induce sintering, a process that hardens the materials and imparts the necessary durability and strength. This phase is especially energy-demanding, as kilns must maintain consistent high temperatures, exceeding 900°C, for extended periods. The energy required for this is typically sourced from the combustion of natural gas. This stage accounts for the majority of the thermal energy consumption in ceramic production, significantly impacting the overall energy footprint of the manufacturing process. Therefore, optimizing energy use in drying and firing is essential for improving the efficiency and sustainability of ceramic building material production. This thesis considers the development of numerical models based on first principle equations to capture the physical heat and mass transfer phenomena during the drying and firing processes of ceramic materials. The proposed modeling methodologies also elaborate on physical aspects of the studied processes that have not received enough attention in the open literature. Specifically, the thesis focuses on the shrinkage occurring ought to moisture migration during the drying stage and the solid-state sintering during the firing process. These phenomena are crucial for understanding the behavior of ceramic materials under thermal treatment. The models aim to provide a more comprehensive understanding of these processes while quantifying the overall process performance and the final product quality. By conducting simulations of heat and mass transfer while considering the structural changes that occur within the material, the research seeks to improve predictive accuracy and provide insights into optimizing these energy-intensive stages without compromising product quality. This work not only advances the theoretical framework but also has practical implications for enhancing the efficiency and sustainability of ceramic manufacturing processes. More specifically, the drying of a ceramic slab is initially examined, taking into account shrinkage, which is the movement of the clay matrix towards the interior of the body as moisture migrates towards the drying surface. Shrinkage is included as a two-way coupled phenomenon with respect to heat and mass transfer. The numerical model is capable of predicting changes in local body porosity and solid phase concentrations imposed by drying-induced shrinkage, providing significant insights into the drying process of ceramic materials. The proposed mathematical framework is used to conduct a parametric analysis that examines the effects of different shrinkage scenarios on heat and mass transfer rates, as well as on the structure and physical properties of the material, demonstrating the impact of shrinkage phenomenon on drying dynamics. A realistic shrinkage scenario case study is also examined to demonstrate the full range of the model's predictive capabilities. Next, the drying process is modeled on an industrial scale by developing a numerical framework for an existing ceramic tunnel dryer. The proposed model captures the complex heat and mass transfer phenomena inside the dryer, predicting the gas phase composition, temperature, and relative humidity distributions, as well as the tile temperature and moisture content distributions along the dryer. This model is used to systematically derive optimal operating policies for the tunnel dryer, focusing primarily on controlling the shrinkage stage, during which the risk of product fracture is highest, while minimizing energy costs. First, energy consumption during the steady-state dryer operation is minimized, while ensuring that product quality is assured. Then, the transient state operation is optimized, investigating two case studies. The first case examines an increase in dryer productivity whilst the second case explores the coexistence of two different raw clay-based ceramics in the dryer. The optimal operating scheme ensures that body shrinkage is well regulated throughout the drying process with minimal fuel consumption. The third thematic section of this thesis focuses on the firing process of ceramic tiles. The analysis involves developing a numerical model to capture the heat transfer phenomena between the gas and solid phases inside a tunnel kiln. The impact of kiln operating conditions on ceramic product quality is quantified using a novel sintering model based on experimental results. This mathematical framework is employed in an optimization study aimed at minimizing natural gas consumption while maximizing kiln production rates and ensuring a minimum sintering threshold for the fired ceramics. To resolve the described multi-objective optimization problem, the ε-Constraint method is used to attain a set of non-dominated optimal solutions, each of equal physical importance. Finally, the attained non-dominated solutions are compared in a distinct optimization study focused on minimizing specific energy consumption, which is the ratio of the objectives in the bi-objective optimization problem. The final part of this thesis presents a model-based optimization approach to derive optimal temperature set-points for the firing zone of an industrial ceramic tunnel kiln under feedback control, accounting for different production loads. For this analysis, a detailed mathematical model is developed, assuming that the tunnel kiln is divided into a series of control zones, each equipped with a natural gas burner regulated by a PID controller. The optimization framework incorporates both the physical model of the process and constraints related to kiln operation and end-product quality, aiming to minimize total fuel consumption in the burners. In this context, optimal set-points are derived for various kiln production rates, ensuring that product quality is maintained with minimal energy consumption. A case study is conducted to demonstrate the benefits of adjusting temperature set-points to accommodate changes in production rates.

Η διαδικασία παραγωγής κεραμικών δομικών υλικών είναι εξαιρετικά ενεργοβόρα, και αποτελείται από διάφορα κρίσιμα στάδια, όπως η εξόρυξη πρώτων υλών, η ανάμιξη, η διαμόρφωση του σχήματος, η ξήρανση και η όπτηση. Κάθε ένα από αυτά τα στάδια απαιτεί αυστηρή διαχείριση της ενέργειας για να διασφαλιστεί η απόδοση της παραγωγής και η ποιότητα των προϊόντων. Η ξήρανση και η όπτηση, ειδικότερα, απαιτούν σημαντικές ποσότητες ενέργειας. Η διεργασία της ξήρανσης απαιτεί ένα ελεγχόμενο περιβάλλον για την απομάκρυνση της υγρασίας από τα νωπά υλικά, το οποίο συνήθως περιλαμβάνει τη χρήση θερμαινόμενου αέρα, που συνήθως παράγεται μέσω της καύσης ορυκτών καυσίμων, όπως το φυσικό αέριο. Το στάδιο αυτό είναι ζωτικής σημασίας για την αποφυγή ατελειών στη μικροδομή κατά την όπτηση, αλλά είναι επίσης ενεργοβόρο. Η όπτηση, το επόμενο σημαντικό στάδιο, περιλαμβάνει τη θέρμανση των αποξηραμένων υλικών σε εξαιρετικά υψηλές θερμοκρασίες για να πραγματοποιηθεί η πυροσυσσωμάτωση, μια διεργασία που σκληραίνει και προσδίδει την απαραίτητη ανθεκτικότητα και αντοχή στα κεραμικά υλικά. Αυτό το στάδιο είναι ιδιαίτερα απαιτητικό σε ενέργεια, καθώς οι κλίβανοι πρέπει να διατηρούν σταθερά υψηλές θερμοκρασίες, που υπερβαίνουν τους 900°C, για μεγάλα χρονικά διαστήματα. Η απαιτούμενη ενέργεια προέρχεται συνήθως από την καύση φυσικού αερίου. Το στάδιο αυτό είναι υπεύθυνο για την πλειονότητα της κατανάλωσης θερμικής ενέργειας στην παραγωγή κεραμικών, επηρεάζοντας σημαντικά το συνολικό ενεργειακό αποτύπωμα της παραγωγικής διαδικασίας. Ως εκ τούτου, η βελτιστοποίηση της χρήσης ενέργειας κατά την ξήρανση και την όπτηση είναι απαραίτητη για τη βελτίωση της αποδοτικότητας και της βιωσιμότητας της παραγωγής κεραμικών δομικών υλικών. Η παρούσα διατριβή εξετάζει την ανάπτυξη μαθηματικών μοντέλων που βασίζονται σε ισοζύγια μάζας και ενέργειας για την αποτύπωση των φυσικών φαινομένων μεταφοράς θερμότητας και μάζας κατά τη διάρκεια της ξήρανσης και της όπτησης των κεραμικών υλικών. Οι προτεινόμενες μεθοδολογίες μοντελοποίησης εστιάζουν επίσης σε φυσικές πτυχές των διεργασιών που μελετώνται και οι οποίες δεν έχουν λάβει αρκετή προσοχή στη βιβλιογραφία. Συγκεκριμένα, η διατριβή επικεντρώνεται στη συρρίκνωση που συμβαίνει εξαιτίας της απομάκρυνσης της υγρασίας κατά το στάδιο της ξήρανσης και στην πυροσυσσωμάτωση στερεάς κατάστασης κατά τη διεργασία της όπτησης. Τα φαινόμενα αυτά είναι ζωτικής σημασίας για την κατανόηση της συμπεριφοράς των κεραμικών υλικών υπό θερμική επεξεργασία. Τα μοντέλα αποσκοπούν στην πιο ολοκληρωμένη κατανόηση αυτών των φαινομένων καθώς και στην ποσοτικοποίηση της συνολική απόδοσης των διεργασιών και της ποιότητας των τελικών προϊόντων. Με διεξαγωγή προσομοιώσεων της μεταφοράς θερμότητας και μάζας, ενώ ταυτόχρονα λαμβάνονται υπόψιν οι αλλαγές που συμβαίνουν στη μικροδομή των υλικών, η παρούσα διατριβή επιδιώκει να βελτιώσει την ακρίβεια της πρόβλεψης των μοντέλων και να προσφέρει γνώσεις για τη βελτιστοποίηση αυτών των ενεργοβόρων σταδίων χωρίς να διακυβεύεται η ποιότητα του προϊόντος. Η διατριβή αυτή όχι μόνο προάγει ένα θεωρητικό πλαίσιο, αλλά προτείνει και πρακτικές για τη βελτίωση της αποδοτικότητας και της βιωσιμότητας των διεργασιών κατασκευής κεραμικών.Πιο συγκεκριμένα, αρχικά εξετάζεται η ξήρανση μιας κεραμικής πλάκας, λαμβάνοντας υπόψη τη συρρίκνωση, η οποία συνεπάγεται τη μετακίνηση της στερεής φάσης του κεραμικού υλικού προς το εσωτερικό του καθώς η υγρασία μετακινείται προς την επιφάνεια ξήρανσης. Η συρρίκνωση περιλαμβάνεται στο μοντέλο ως ένα αμφίδρομα συζευγμένο φαινόμενο σε σχέση με τη μεταφορά θερμότητας και μάζας. Το αριθμητικό μοντέλο είναι σε θέση να προβλέψει τις αλλαγές στο τοπικό πορώδες του κεραμικού σώματος και στις συγκεντρώσεις στερεών φάσεων, ως αποτέλεσμα της συρρίκνωσης που προκαλείται από την ξήρανση, παρέχοντας σημαντικές γνώσεις σχετικά με τη διεργασία ξήρανσης των κεραμικών υλικών. Το προτεινόμενο μαθηματικό πλαίσιο χρησιμοποιείται για τη διεξαγωγή παραμετρικής ανάλυσης που εξετάζει τις επιδράσεις διαφορετικών σεναρίων συρρίκνωσης στους ρυθμούς μεταφοράς θερμότητας και μάζας, καθώς και στη δομή και τις φυσικές ιδιότητες του υλικού, επιδεικνύοντας με αυτό τον τρόπο την επίδραση της συρρίκνωσης στην δυναμική της ξήρανσης. Εξετάζεται επίσης μια μελέτη περίπτωσης ενός ρεαλιστικού σεναρίου συρρίκνωσης για να καταδειχθεί το πλήρες φάσμα των προβλεπτικών δυνατοτήτων του μοντέλου.Στη συνέχεια, η διεργασία ξήρανσης μοντελοποιείται σε βιομηχανική κλίμακα με την ανάπτυξη ενός αριθμητικού πλαισίου για ένα υπάρχον ξηραντήριο κεραμικών υλικών τύπου σήραγγας. Το προτεινόμενο μοντέλο αποτυπώνει τα πολύπλοκα φαινόμενα μεταφοράς θερμότητας και μάζας στο εσωτερικό του ξηραντηρίου, προβλέποντας τις κατανομές σύστασης της αέριας φάσης, της θερμοκρασίας και της σχετικής υγρασίας, καθώς και τις κατανομές της θερμοκρασίας και της περιεκτικότητας των κεραμικών σε υγρασία κατά μήκος του ξηραντηρίου. Το μοντέλο αυτό χρησιμοποιείται για τη συστηματική εύρεση βέλτιστων πολιτικών λειτουργίας για το ξηραντήριο τύπου σήραγγας, εστιάζοντας κυρίως στον έλεγχο του σταδίου συρρίκνωσης, κατά το οποίο ο κίνδυνος θραύσης του προϊόντος είναι υψηλότερος, με παράλληλη ελαχιστοποίηση του ενεργειακού κόστους. Αρχικά, ελαχιστοποιείται η κατανάλωση ενέργειας κατά τη λειτουργία του ξηραντηρίου σε σταθερή κατάσταση, ενώ παράλληλα διασφαλίζεται η ποιότητα του προϊόντος. Στη συνέχεια, βελτιστοποιείται η λειτουργία σε δυναμική κατάσταση, διερευνώντας δύο μελέτες περίπτωσης. Η πρώτη περίπτωση εξετάζει την αύξηση της παραγωγικότητας του ξηραντηρίου, ενώ η δεύτερη περίπτωση διερευνά τη συνύπαρξη δύο κεραμικών από δύο διαφορετικές πρώτες ύλες στο ξηραντήριο. Η βέλτιστη λειτουργία εξασφαλίζει ότι η συρρίκνωση του σώματος είναι καλά ελεγμένη καθ' όλη τη διάρκεια της διεργασίας της ξήρανσης με την ελάχιστη δυνατή κατανάλωση καυσίμου.Η τρίτη θεματική ενότητα της παρούσας διατριβής επικεντρώνεται στη διεργασία όπτησης των κεραμικών υλικών. Η ανάλυση περιλαμβάνει την ανάπτυξη ενός αριθμητικού μοντέλου για την αποτύπωση των φαινομένων μεταφοράς θερμότητας μεταξύ της αέριας και της στερεάς φάσης στο εσωτερικό ενός κλιβάνου τύπου σήραγγας. Ο αντίκτυπος των συνθηκών λειτουργίας του κλιβάνου στην ποιότητα των κεραμικών προϊόντων ποσοτικοποιείται με τη χρήση ενός μοντέλου πυροσυσσωμάτωσης που βασίζεται σε πειραματικές μετρήσεις. Στη συνέχεια, αυτό το μαθηματικό μοντέλο χρησιμοποιείται σε μια μελέτη βελτιστοποίησης με στόχο την ελαχιστοποίηση της κατανάλωσης φυσικού αερίου με παράλληλη μεγιστοποίηση των ρυθμών παραγωγής του κλιβάνου και την εξασφάλιση ενός ελάχιστου ορίου πυροσυσσωμάτωσης για τα ψημένα κεραμικά. Για την επίλυση του περιγραφόμενου προβλήματος βελτιστοποίησης πολλαπλών στόχων, χρησιμοποιείται η μέθοδος ε-Constraint για την επίτευξη ενός συνόλου βέλτιστων λύσεων που έχουν την ίδια μαθηματική και φυσική αξία, με καμία από αυτές να υπερτερεί των υπολοίπων σε όλους τους τομείς. Τέλος, αυτές οι λύσεις συγκρίνονται σε μια ξεχωριστή μελέτη βελτιστοποίησης που επικεντρώνεται στην ελαχιστοποίηση της ειδικής κατανάλωσης ενέργειας, η οποία είναι ο λόγος των αντικειμενικών συναρτήσεων του προβλήματος βελτιστοποίησης δύο-στόχων. Στο τελευταίο μέρος της παρούσας διατριβής παρουσιάζεται μια προσέγγιση μαθηματικής βελτιστοποίησης για την εξαγωγή βέλτιστων θερμοκρασιακών σημάτων αναφοράς για τη ζώνη έψησης ενός βιομηχανικού κλιβάνου τύπου σήραγγας κεραμικών υπό ρύθμιση ανάδρασης, λαμβάνοντας υπόψη διαφορετικά φορτία παραγωγής. Για την ανάλυση αυτή, αναπτύσσεται ένα λεπτομερές μαθηματικό μοντέλο, υποθέτοντας ότι ο κλίβανος σήραγγας χωρίζεται σε μια σειρά ζωνών ελέγχου, καθεμία από τις οποίες είναι εξοπλισμένη με έναν καυστήρα φυσικού αερίου που ελέγχεται από έναν ρυθμιστή PID. Το μοντέλο βελτιστοποίησης ενσωματώνει τόσο το μοντέλο της φυσικής διεργασίας όσο και περιορισμούς που σχετίζονται με τη λειτουργία του κλιβάνου και την ποιότητα του τελικού προϊόντος, με στόχο την ελαχιστοποίηση της συνολικής κατανάλωσης καυσίμου στους καυστήρες. Στο πλαίσιο αυτό, προκύπτουν βέλτιστα σήματα αναφοράς για διάφορους ρυθμούς παραγωγής του κλιβάνου, διασφαλίζοντας την ποιότητα του προϊόντος με την ελάχιστη δυνατή κατανάλωση ενέργειας. Διεξάγεται μια μελέτη περίπτωσης για να καταδειχθούν τα οφέλη της συστηματικής προσαρμογής των θερμοκρασιακών σημάτων αναφοράς στις μεταβολές των ρυθμών παραγωγής.