Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНІЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

“ХАРКІВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”

УДК 66.01/07 (075.8)

НАУКОВЕ ОБГРУНТУВАННЯ КОМПЛЕКСУ ХІМІЧНИХ ТЕХНОЛОГІЙ ІНГІБІРУВАННЯ ПРОЦЕСІВ ТРАНСФОРМАЦІЇ ВОДНИХ ТЕХНОЛОГІЧНИХ СЕРЕДОВИЩ

Спеціальність 05.17.08 - процеси та обладнання хімічної технології

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеню

доктора технічних наук

Березуцький Вячеслав Володимирович

Харків 2011

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано на кафедрі «Охорона праці та навколишнього середовища» Національного технічного університету «Харківський політехнічний інститут» Міністерства освіти і науки України, м. Харків.

Науковий консультант доктор технічних наук, професор Товажнянський Леонід Леонідович, Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут», завідувач кафедри інтегрованих технологій, процесів та апаратів

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Статюха Геннадій Олексійович, Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут», завідувач кафедри кібернетики хіміко-технологічних процесів

доктор технічних наук, професор Пляцук Леонід Дмитрович, Сумський державний університет, завідувач кафедри прикладної екології

доктор технічних наук, професор Шапорєв Валерій Павлович, Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут», завідувач кафедри хімічної техніки та промислової екології

Захист відбудеться « 31» березня 2011 р. о 10-00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.050.05 у Національному технічному університеті «Харківський політехнічний інститут» за адресою: 61001, м. Харків, вул. Фрунзе, 21

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного технічного університету «Харківський політехнічний інститут».

Автореферат розіслано «28» лютого 2011 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Тимченко В.К.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Хімічні технології застосовуються на більшості підприємств України, у зв'язку з цим важливим науково-прикладним завданням є аналіз і розрахунок існуючих процесів і апаратів, і вибір найбільш вигідних. Аналіз процесів і апаратів, вживаних для інгібірування трансформації водних технологічних середовищ (ВТС) показав, що цьому напряму приділяється недостатньо уваги, а комплексні схеми для вирішення цих проблем відсутні. Одним з основних питань сучасного хімічного виробництва є його оптимізація та удосконалення тих технологічних процесів, які існують, та створення нових. Сумарна кількість підприємств, що використовують водні технологічні середовища у провідних галузях України складає більше 3600. Орієнтовний об'єм використовуваних водних середовищ складає близько 0,5 млн. м³ в рік. Ці середовища готуються на основі складних хімічних інгредієнтів і забезпечують технологічні показники процесів миття, змащування і охолоджування інструментів і виробів.

Під час використання водних технологічних середовищ через певний термін спостерігається процес їх трансформації. Цей процес спостерігається візуально (зміна кольору), органолептичним способом (поява невластивих запахів) і підтверджується хімічним аналізом. Зв'язано це із вилученням з водних середовищ емульгаторів, додаванням невластивих їх хімічному складу інгредієнтів - іонів металів, бактерій, бруду, частинок корунду і іншого. Водні технологічні середовища є в первинний момент часу полідисперсними системами з різним хімічним складом, які відповідають їх функціональному призначенню. Проте через певний відрізок часу, вони набувають практично однакових характеристик трансформованого водного середовища, які визначаються наявністю сильного забруднення іонами металів, масел, бактерій і іншим, що робить їх подальше застосування неможливим. Наукове завдання полягає в тому, щоб зробити відрізок часу до стадії припинення її застосування якомога тривалішим. Інгібірування (уповільнення, гальмування) процесів трансформації в даний час досягається за допомогою технологій фільтрування і гравітаційного осадження механічних домішок, додаванням різних хімічних добавок, що виконують функції інгібірування. Застосування процесів і апаратів хімічних технологій дозволяють ефективно інгібірувати процеси трансформації у водних середовищах і продовжити їх застосування до 1 року і більш. У зв'язку з цим сформувався новий науковий напрямок щодо вивчення процесів трансформації водних технологічних середовищ і розробки науково обґрунтованого комплексу хімічних технологій інгібірування цих процесів за допомогою сучасних мало витратних і ресурсозаощадних хімічних процесів і апаратів.

Викладене свідчить про те, що вирішення наукових питань, пов'язаних з розробкою методології інгібірування (зменшення швидкості) процесів трансформації виробничих водних технологічних середовищ, спрямованої на вдосконалення тих, що існують, та розробку нових хімічних технологій, є важливою науково-прикладною проблемою, яку вирішує докторська дисертація.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Роботу пов'язано з науковими програмами і темами досліджень, які виконувалися під науковим керівництвом і особистою участю здобувача: ДР №0187.0065657 «Впровадження установки і технологічного процесу електрокоагуляційного очищення і регенерації миючого розчину після миття тари на п/с А-1080 (м. Севастополь, 1987); ДР №0188.0057681 «Розробка збірки методик «Визначення змісту екологічно небезпечних утворень у процесі утилізації відходів малярного виробництва підприємства п/с А-7880» (м. Севастополь, 1988); ДР №0191.0052909 «Розробка і впровадження дослідницько-промислової установки для регенерації мастильно-охолоджуючих рідин» (ВАТ «ХАРТРОН», м. Харьків,1992); ДР №0189.0028677 «Установка електрохімічного очищення хромвміщуючих вод» (ВАТ «ХАРП», м. Харків, 1994); «Установка для очищення конденсатних вод від нафтопродуктів» (ДП «ФЕД», м. Харків, 1996); «Очищення технічної води від механічних домішок і частинок емульсола» (ВАТ «ХАРП», м. Харків, 2002); «Наукове дослідницьке забезпечення щодо питаннь очищення технічної води від домішок хрому і нафтопродуктів» (ВАТ «ХАРП», м. Харків, 2003); «Розробка технології очищення стічних вод «Баришевського кожевільного заводу» (Київська обл, м. Баришевка, 2005); «Розробка пристрою промивання стружки ШХ-15 від мастила з регенерацією миючого розчину і збором вилучених мастил» (ВАТ «ХАРП», м. Харків, 2004-2005); «Розробка проекту регенерації мастильно-охолоджуючої рідини типу МР-7» (ДП «ХЕМЗ», м. Харків, 2007); «Розробка проекту на пристрій розділення стружки і мастил» (ЧП «ДЕКОРУС», м. Харків, 2010).

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є розробка і наукове обґрунтування процесів і апаратів інгібірування трансформації водних технологічних середовищ, сформульованих на основі теорій фракціонованої коагуляції, укрупнення завислих частинок і газових бульбашок, створення ресурсозберігаючих технологій і устаткування.

Для досягнення поставленої мети необхідно поставити та розв'язати комплекс наступних взаємопов'язаних задач:

1. Розробити теоретичне обґрунтування хімічних технологій інгібірування процесів трансформації водних технологічних середовищ на основі теорій масопередачі та гідродинамічних процесів, методів математичного аналізу та ресурсозбереження;

2. Дослідити водні технологічні середовища і встановити причини, що викликають їх швидку трансформацію і руйнування;

3. Визначити показники трансформації водних середовищ та визначити їх небезпеку для навколишнього середовища;

4. Визначити фізико-хімічні, гідродинамічні і біохімічні параметри процесів, спрямованих на інгібірування трансформації водних середовищ шляхом очищення, знешкодження і переробки;

5. Розробити нові хімічні технології та обладнання для інгібірування процесів трансформації водних середовищ, які забезпечують їх тривале і безпечне застосування на виробництві з мінімальною кількістю хімічних добавок, що вносяться при обробці та із збереженням їх якісних показників;

6. Розробити комплекс хімічних технології інгібірування процесів трансформації водних середовищ на виробництві із застосуванням фаззи-логики; водний середовище інгібірування технологічний

7. Виконати економічне обґрунтування і розробку рекомендацій для впровадження результатів досліджень у виробництво.

Об'єкт дослідження - процеси і апарати інгібірування трансформації водних технологічних середовищ.

Предмет дослідження - трансформовані водні технологічні середовища, що містять мастила, іони важких металів, поверхнево-активні речовини, бактерії і внесені забруднення.

Методи дослідження. Дослідження фізико-хімічних і біологічних властивостей водних середовищ виконувалися на основі класичних та оригінальних методик. Визначення величини т - потенціалу частинок проводили мікроскопічним методом; визначення вмісту мікроелементів в середовищах проводили методом атомно-абсорбційної спектроскопії; мікробіологічне дослідження води виконували методом посіву на живильне середовище МПА, застосуванням трифеніл-тетразолія хлориду (ТТХ); ефективність процесів коагуляції визначали за допомогою методів фото колориметрії і іонометрії; кількість вуглекислого газу, що надійшов в емульсію визначали методом осадження двоокису вуглецю у вигляді карбонату кальцію з подальшим зворотним титруванням; визначення розмірів частинок і міцел виконували методом мікроскопії; величини рН середовищ здійснювали методами рН-метрії. Застосовували стандартні і розроблені гідромеханічні, електрохімічні, біохімічні, структурні та гравіметричні методи досліджень. Для отримання математичних моделей досліджуваних процесів і обробки отриманих результатів використовували стандартні типові програми STATGRAF, AРPROX. Обробка статистичних залежностей виконувалась методом найменших квадратів. Для розробки ресурсозаощадного використання водних технологічних середовищ в складних циклічних технологічних процесах, застосовано фаззи-логику.

Наукова новизна одержаних результатів. Основним науковим результатом роботи є створення комплексу хімічних технологій інгібірування процесів трансформації водних технологічних середовищ на основі теоретичних і експериментальних, гідромеханічних, фізико-хімічних, біохімічних, математичних і технологічних досліджень, що дозволило створити маловитратні і ресурсозаощадні технології підприємств хімічної, машинобудівної, енергетичної та інших галузей промисловості України.

Наукова новизна визначається наступними положеннями.

1. Розроблено теоретичні основи процесів і апаратів хімічних технологій інгібірування трансформації водних технологічних середовищ на виробництві;

2. На основі теоретичного узагальнення і результатів експериментальних досліджень визначено взаємозв'язок трансформації якісних показників водних середовищ з технологічними процесами і зовнішніми чинниками;

3. З урахуванням розроблених теоретичних основ, методологічно обгрунтовано і показано застосування хімічних процесів і апаратів для інгібірування процесів трансформації водних середовищ у системі управління виробництвом;

4. Розроблено новий процес фракціонованої коагуляції і ефективного вилучення домішок з водних середовищ на основі теорії активних зіткнень в апаратах електрохімічного очищення;

5. Теоретично обґрунтовано і показано застосування фаззи-логики для процесів регулювання значущих параметрів у водних середовищах;

6. Експериментальними дослідженнями встановлено залежність укрупнення завислих речовин, коалесценції крапель нафтопродуктів і флотації забруднень, що містяться у водних середовищах;

7. Визначено залежність агрегатної стійкості промислових емульсій від кількості бактерій в них за різних температур і встановлені критеріальні показники, що характеризують їх стійкість;

8. Теоретично обґрунтовано і запропоновано новий типоряд електрокоагуляторів фракціонованої коагуляції з одно- і багатостадійними етапами електрохімічного очищення, що дозволяють підвищити ефективність фізико-хімічних показників процесу електрокоагуляції;

9. Запропоновано перспективні способи і устаткування знешкодження водних емульсій методом інгібірування зростання бактерій за допомогою вуглекислого газу;

10. Визначено залежність процесів електроокиснення бактерій від гідродинамічних характеристик потоку рідини та щільності току на електродах.

Новими процесами та апаратами, що мають правовий захист у вигляді патентів та авторських свідоцтв є пристрій для електрохімічного очищення стічних вод (конструкції електрокоагуляторів фракціонованої коагуляції домішок) (а.с. СРСР № 1815937; пат. СРСР №1691319; пат. України №17651); спосіб знезараження колоїднодисперсних систем (процес і конструкція пристрою для газового інгібірування технологічних емульсій)(пат. Російській Федерації №1723049, пат. України №2095); спосіб знезараження води (пат. України №97094529); пристрій для керування якісними показниками колоїднодисперсних систем (пат. №24939 України); спосіб проведення тест-аналізу бактерійної поразки водних розчинів (датчик для експрес контролю за ступенем біологічного ураження промислових емульсій) (пат. України №16294); мобільний пристрій очищення і регенерації виробничих технологічних емульсій і розчинів (пат. України №49139).

Практична значення одержаних результатів для хімічних технологій. Розроблені теоретичні основи хімічних процесів і апаратів інгібірування трансформації водних технологічних середовищ упроваджено на підприємствах м.Харкова, м. Севастополя, м. Запоріжжя і інших у вигляді проектів, технологій і устаткування, які забезпечують їх тривале застосування при підтримці заданих технологічних показників за технічними умовами. Виконано дослідницько-промислове впровадження на виробництві розроблених технологій і устаткування очищення і регенерації водних середовищ після миття тари, автомобілів і двигунів на морському заводі (м. Севастополь). Припинено скидання забруднених водних середовищ і покращена ефективність локалізації і виділення забруднень з гальванічних технологічних рідин на ВАТ «ХАРП» ( м. Харків). Розроблено процес і апарат інгібірування процесу збільшення кількості бактерій (до 99,9%) у мастильно-охолодних рідинах (МОР) і зменшено експлуатаційні витрати, на підприємствах ДП «Серп і Молот», ДП «ФЕД» і ВАТ «ХАРТРОН» (м. Харків). Результати досліджень і технічні рішення знайшли застосування в проектних організаціях при розробці ресурсозберігаючих технологій, а також увійшли до методичних вказівок і навчальних матеріалів, що використовуються при навчанні студентів і аспірантів у курсах, що викладаються на кафедрах НТУ «ХПІ», а також при виконанні бакалаврських і дипломних робіт студентів.

Особистий внесок здобувача полягає в тому, що основні теоретичні рішення і результати досліджень отримані здобувачем самостійно, серед них - запропоновано і розроблено методологію і концепцію ресурсозаощадного застосування водних технологічних середовищ; дослідження гідродинамічних та массообмінних процесів та обробка отриманих результатів; ідея і розробка процесу фракціонованої коагуляції домішок у водних середовищах за допомогою спеціальних електрокоагуляційних апаратів; встановлено взаємозв'язок фізичних, фізико-хімічних, хімічних і гідродинамічних аспектів, що забезпечують ефективне укрупнення (утворення пластівців) зважених речовин, коалесценцію крапель масел і нафтопродуктів, а також флотацію забруднень, що містяться в технологічних середовищах; розроблено технічне наповнення концепції інгібірування процесів трансформації середовищ і створено нові процеси і апарати, що дозволяють очищати, знешкоджувати і використовувати водні технологічні середовища в замкнутих внутрішньоцехових циркуляційних системах, що виключають або знижують до мінімуму їх скидання в міську каналізаційну мережу, на заводські очисні споруди або у відкрите водоймище; розроблено способи та обладнання для процесів газового інгібірування та електроокиснення бактерій у водних середовищах. Розроблені нові технології, спрямовані на раціональне використання водних середовищ; розроблені нові методи обробки і утилізації відходів, що видаляються з середовищ у процесі тривалої експлуатації або що утворюються при їх очищенні; запропоновано і показано застосування методу фаззи-логики в управлінні технологіями регулювання екологічно значущих показників середовищ.

Основні положення дисертації доповідались на: 1-му з'їзді фахівців з безпеки життєдіяльності людини" (м. Санкт-Петербург, 1992); Міжнародній конференції - Protection of nature is international problem ( Delhi, India, 1992; на Міжнародній науково-практичній конференції "Актуальні питання охорони навколишнього середовища від антропогенної дії" (м. Кременчук, 1994); Міжнародної науково-технічної конференції "Інформаційні технології: Наука, техніка, технологія, освіта, здоров'я" (м. Харків, 1995-2010); науково-технічних конференціях викладачів, аспірантів і співробітників Харківської державної академії міського господарства. Будівництво, архітектура і екологія (м. Харків, 2000, 2002 і 2008); науково-методичній конференції «Безпека життєдіяльності» (м. Харків, 2001-2010); науково-методичній конференції «Техносфера і її безпека» (м. Харків, 2003); Міжнародній науково-практичній конференції «Екологія. Енергозбереження. Економіка» (м. Суми, 2005); Міжнародна конференція «Співпраця для вирішення проблеми відходів» (м. Харків, 2006); Міжнародному семінарі «Управління безпекою складних систем» (м. Ліптовський Мікулаш, Словаччина, 2008); Міжнародній науковій конференції - Security and security science. (м. Ліптовський Ян, Словаччина, 2009).

Публікації: по темі дисертації опубліковано 42 наукових роботи, серед яких 28 у спеціалізованих наукових виданнях ВАК України, 2 монографії, 3 авторських свідоцтва, 5 патентів України, 2 патенту Російської Федерації.

Структура і об'єм дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, 5 розділів, списку використаних джерел і додатків. Повний об'єм дисертації складає 576 сторінок. 148 ілюстрацій та 86 таблиць на 111 окремих сторінках, 2 додатки на 134 сторінках, 297 найменувань використаних літературних джерел на 29 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність роботи, спрямованої на розробку методології інгібірування (зменшення швидкості) трансформації виробничих водних технологічних середовищ, вдосконалення існуючих і розробку нових процесів і апаратів хімічних технологій. Сформульовано мету і завдання досліджень, наукову новизну, практичне значення, а також основні положення, які захищаються здобувачем.

У першому розділі виконано аналіз стану питання інгібірування негативних процесів трансформації виробничих водних технологічних середовищ.

Вода на виробництві застосовується як базовий матеріал, для приготування різних технологічних середовищ: рідин, що змащують-охолоджують (мастильно-охолоджуючих рідин - МОР, мастильно-охолоджуючих технологічних середовищ - МОТС), миючих водних технологічних середовищ (МВТС), розчинів травлення і термічної обробки металів, промивних і охолоджуючих вод, і тому подібне. У багатьох випадках застосування водних середовищ, після певного відрізку часу, вони потрапляють у категорію стічні води. Такий підхід у використанні води і дорогих хімічних інгредієнтів, що входять до складу технологічних середовищ, є най не раціональнішим і збитковішим, як для підприємства, так і, для комунальних очисних споруд очищення води. Водні технологічні середовища можуть і повинні функціонувати в технологічних операціях і використовуватися на виробництві, якомога триваліший відрізок часу, проте для цього необхідно уповільнити процеси їх трансформації.

Термін «інгібірування» не є новим і походження цього терміну пов'язане з іншим терміном - інгібітор (лат. Inhibere - затримувати) - речовина, що уповільнює або запобігає перебіг якої-небудь хімічної реакції: корозії металу, старіння полімерів, окислення палива і змащувальних мастил і ін. Виконано аналіз стану питання подовження ресурсу і утилізації водних технологічних середовищ. Визначено основні вагомі показники якості водних середовищ що впливають на їх ресурс.

В процесі виконаного аналізу, було встановлено, що основну увагу необхідно приділити способам і устаткуванню видалення дрібнодисперсних домішок з водних середовищ. Забруднені водні емульсії характеризуються великою кількістю дрібнодисперсних домішок, які потрапляють в них в процесі обробки металів різанням, шліфуванням та іншими видами технологічних операцій. Частина з них вилучається седиментаційними методами очищення у резервуарах зберігання, відстійниках і камерах осаджування. З досвіду застосування фільтрувального устаткування для очищення емульсій від металізованих забруднень встановлено, що правильний вибір фільтрувальної перегородки впливає на продуктивність фільтрувального устаткування, чистоту отримуваного фільтрату і довговічність фільтрувальних тканин або частоту регенерацій фільтрувальних перегородок. Розглянуті методи (фільтрації і центрифугування) також не завжди забезпечують необхідний ступінь очищення робочих рідин. Перспективним є очищення рідин у гідро циклонах. Метод магнітного осадження залізовмісних частинок дозволяє здійснювати спільно з ними тонке магнітне осадження з рідин міді, цинку, хрому, кальцію, фосфатів, нафтопродуктів, радіонуклідів і інших домішок. При здійсненні процесу магнітного осадження основна роль належить магнітним або намагнічуваним насадкам, що безпосередньо контактують з потоком рідини. Найбільш істотною ознакою магнітних фільтрів-осаджувачів є тип системи, що намагнічує. У роботах Худобіна Л.В., Бердічевського Є.Г., Пантелята Г.С і Терновцева В.Е. показано шляхи інтенсифікації процесів очищення водних середовищ під час їх застосування.

Аналіз джерел інформації і виконані дослідження показали важливість рішення одного з основних питань - інгібірування зростання бактерій або знезараження технологічних середовищ. В умовах виробництва прагнуть інгібірувати процес розвитку мікроорганізмів, використовуючи найсучасніші технології (рис.1). Розроблено багато методів знезараження води: окисленням газами (хлором і двоокисом хлору, озоном); реагентний, з використанням деяких бактерицидних добавок (гіпохлориту, сполук срібла, ртуть і тому подібне); радіаційний шляхом обробки ультрафіолетовими променями; електрохімічний за рахунок насичення води іонами важких металів; електроімпульсної обробки високовольтними розрядами та інші. Основним недоліком більшості із запропонованих способів є дороге

У роботі виконано аналіз застосування електрохімічних методів і апаратів для коректування показників якості і утилізації технологічних розчинів.

Велика різноманітність апаратів і способів електрохімічного очищення показує, з одного боку, добре опрацьовування цього напряму обробки технологічних рідин, а, з іншого боку, відсутність систематизації і оптимізації вживаних конструкцій і способів. Одним з основних напрямів у дослідженнях, які здійснюються в даний час в цій області, повинно бути зниження матеріаломісткості і енергоємності апаратів електрохімічного очищення водних розчинів та середовищ.

Виконано огляд технологічних схем коригування якісних показників технологічних розчинів. В результаті цього було встановлено відсутність локальних або адитивних технологічних систем і пристроїв, які б могли забезпечити процес продовження ресурсу окремо розташованих верстатів і груп верстатів, з урахуванням необхідності інгібірування зростання бактерій.

Проаналізовані та систематизовані способи утилізації і знешкодження відходів, вилучених із середовищ, при коригуванні показників їх якості.

У другому розділі розглядається методологія інгібірування трансформації водних технологічних середовищ, яка є сукупністю методів і прийомів виконання наукових досліджень.

Методологія базується на концепції не знищення, а збереження технологічних середовищ протягом тривалого відрізку часу, більше 1 року. Концепція інгібірування трансформації водних середовищ розробляється на основі політики керівництва підприємства. В рамках цієї концепції повинні бути розроблені заходи, направлені на вирішення існуючих проблем і постановку завдань на майбутнє у відповідності із стандартами ISO-9000 і ISO-14000.

Показано, що на кожному підприємстві необхідно розробити систему і технологічний комплекс управління (менеджменту) якісними і ресурсозаощадними показниками водних технологічних середовищ на промисловому підприємстві (СТКУЯРП ВТС). Схема СУТКУЯРП ВТС може бути розроблена тільки на основі показників їх якості. Система СТКУЯРП ВТС передбачає виконання організаційних і технічних заходів щодо досягнення поставленої мети - інгібірування трансформації і тривалого застосування водних технологічних середовищ. З технічних заходів найбільш відповідальними є вибір технології і устаткування, які здатні найповніше забезпечити довготривалу підтримку якісних показників в позначених технічними умовами межах або понизити їх перевищення до заданих технічними умовами.

Методологію визначення дефектів у водних середовищах закладено в технічних умовах на їх приготування. У дисертаційної роботі приведено, що, по можливості виявлення дефекти підрозділяються на два типи - явний і прихований. Явний дефект у водних технологічних середовищах визначається органолептичними способами і полягає, перш за все, у зміні кольору, наявності плаваючих мастил або інших речовин на поверхні рідини, запаху. Прихований дефект визначається інструментально, і полягає у зміні кількісних та якісних характеристик водних середовищ. Розроблено систему управління якістю і безпекою виробництва з урахуванням трансформації водних технологічних середовищ, а також, класифікацію дефектів водних технологічних середовищ.

У дисертаційної роботі запропоновано застосування фаззи-логики з фаззи-управлінням, для технологій інгібірування процесів трансформації водних технологічних середовищ. Схема процесу управління:

початкова умова - сприйняття - ухвалення рішення.

При регулюванні якості водних технологічних середовищ це виглядатиме так:

ЯКЩО якісні показники ВТС починають впливати на якість продукції (пропалення, поява плям іржі і тому подібне), що випускається І концентрація домішок велика (відхилення від базових показників), ТО необхідно припинити застосування ВТС і виконати коригування (обробку) середовища з метою доведення її до нормативних (заданих технічними умовами). Фаззи-більшість (ФБ), об'єднує числові множини, що характеризують кількісні показники домішок, представлені у формі лінгвістичної змінної, - сильно брудні, брудні, помірно забруднені, чисті (що відповідають вимогам технічних умов).

Виконано аналіз особливостей аналізу фізико-хімічних і біологічних властивостей водних технологічних середовищ. Встановлено залежність між концентрацією бактерій в емульсії і кількістю діоксиду вуглецю, що утворюється в результаті процесів життєдіяльності бактерій. Біогенний газ збільшується в об'ємі в закритій ємкості, створюється надмірний тиск, який за своєю величиною може бути показником концентрації бактерій у розчину. На основі цих та інших залежностей було розроблено принципово нову конструкцію датчика тест-аналізу ступеню бактеріологічного зараження водного середовища.

Виконано визначення коефіцієнту дифузії вуглекислого газу (D_СО2) у водне технологічне середовище типу емульсія. Коефіцієнт дифузії знайдено за умов, що розміри молекул «чужого» газу (у якому CO₂ дифундує) не рівні розмірам молекул CO₂. Знайдений D_СО2 при нормальному тиску рівний 1,31. 10^-15 (м²/с). Встановлено, що швидкість дифузії дуже мала, тому завдання інгібірування газом трансформації водних середовищ полягатиме у пневматичному перемішуванні вуглекислим газом і заміщенні кисню. Надмірний тиск, виходячи з формули розрахунку дифузії, не дасть також швидкого ефекту, проте надмірний тиск необхідний для запобігання попаданню кисню з повітря у водне середовище.

Внесено уточнення у методику визначення біокорозійної активності водних технологічних середовищ методом нанесення крапель на поверхню зразка і рекомендовано виконувати зразки для випробувань з чавуну марки КЧ замість СЧ.

Розроблено пропозиції по доповненнях і змінах у ГОСТі 17216-71 класів чистоти рідин з урахуванням мікробіологічної поразки емульсій і повнішого обліку різноманіття інгредієнтів, розчинених у водних технологічних середовищах.

Встановлено, що забруднюючими речовинами в технологічних середовищах є: метали - хром, цинк, алюміній, залізо, нікель, кобальт, свинець, мідь та інші (у грубодисперсному і іонному вигляді); ароматичні вуглеводи - оксиетильовані алкилфеноли (ПАР), стирол та інші; галогенорганічні сполуки - вуглеводи хлоровані, етилхлорид та інші; азотвмісиі вуглеводи; органічні кислоти, ефіри, альдегіди, спирти - акрилова і метакрилова кислоти, бензоловий ефір та інші; інгібітори; нафтопродукти, які представлені у водних середовищах в двох видах, а саме, у вигляді плаваючих плям і в емульгованому стані. У таблиці 1 приведено зміни (трансформації) основних показників технологічних середовищ в процесі їх застосування.

Розроблено таксономію небезпек водних технологічних середовищ від їх трансформації і виконано аналіз їх викидів в атмосферу цеху. На підставі обробки експериментального матеріалу приведено емпіричну формулу для визначення залежності середнього розміру крапель емульсій від їх фізичних властивостей і режимів розпилювання. Встановлено, що розмір крапель не залежить від конфігурації і розмірів сопла.

Таблиця 1

Основні показники технологічних середовищ до і після застосування їх у виробничих процесах (показники трансформації середовищ)

№ п/п	Найменування показників	Величина показника в процесі застосування	Зміна показника	Величина трансформації
		На початку	В кінці	%
1	Емульсол, %	3 - 20	10 - 26	5 - 7	6, 10
2	ХСК, мг02/дм3	10 - 102	103 - 105	103	102, 103
3	Показник рН	9 - 10 1 - 3	7 - 8 2 - 4	20 - 30 100 - 60	2, 1, 2
4	Механічні забруднення (суспензії), мг/дм3	Відсутні	10 - 50	1.103 -5.103	(1-5)103
5	Мікроорганізми, бак/мл	10 - 104	108 - 109	103 - 106	107, 105
6	Мастила, мг/дм3	2 - 8	8 - 10	25 -300	6, 2
7	ПАР, мг/дм3	3 - 10	1 - 5	50 - 60	2, 5
8	БСК, мгО2/дм3	1 - 10	102	103 -104	102
9	Біокорозія, бал	1	4	На 75%	3

Результати тестів показують, як швидкість уприскування емульсії впливає на об'єми викидів. За допомогою розробленої комп'ютерної програми встановлено, що при маленьких і великих швидкостях об'єми викиду незначні, але на таких швидкостях емульсія може і не справитися зі своїм завданням. Розроблено додаток, який дозволяє, задаючи різні параметри емульсій, визначити об'єм викидів, порівнювати об'єми викидів, задаючи різні параметри технологічних емульсій. Додаток розроблено на високо рівневий об'єктно-орієнтованій мові C#. Встановлено за допомогою розрахунків, що при виборі технологічних середовищ типу МОР, потрібно враховувати не тільки якість її прикладних властивостей, а і характер її розпилювання і руху у напрямку до оброблюваної деталі.

Досліджено небезпеку водних розчинів методом біотестування на дафніях і встановлено, що вони представляють високу небезпеку для гідробіонтів. Найбільшу небезпеку представляють поверхнево-активні речовини (ПАР) і мастила.

У третьому розділі розглядаються експериментальні і теоретичні дослідження хімічних технологій і апаратів, спрямованих на захист від трансформації водних технологічних середовищ, яку викликано технологічними процесами, в яких вони беруть участь, умовами зберігання і перекачування по трубопроводах. Приведено експериментальні і теоретичні дослідження, направлені на вивчення фізико-хімічних процесів, що відбуваються з інгредієнтами в технологічних середовищах у процесі їх застосування на всіх стадіях, а також дослідження варіантів продовження терміну їх використання в технологічних операціях, при зниженні споживання хімічних реагентів і переведення в інші менш небезпечні стани для природи і людини. Сформульовано напрями досліджень, які необхідно виконати для вибору варіантів технологічних і конструктивних рішень із інгібірування процесів трансформації водних технологічних середовищ.

Встановлено, що осадження частинок в технологічних водних середовищах має особливості, які визначаються наявністю в них мастил, ПАР і різних за дисперсністю і властивостями частинок. Запропоновано теоретично обґрунтований підхід до розрахунку поличного відстійника. Виконано визначення швидкості і коефіцієнтів осадження суспензій у промислових технологічних емульсіях. Механічні дрібнодисперсні суспензії у водних емульсіях і розчинах мають різну природу походження і тому відрізняються широким діапазоном дисперсності частинок, а також їх форми і вигляду. Встановлено, що механічні домішки є своєрідними сорбентами для мікроорганізмів і служать одночасно для них живильним середовищем. Збільшення кількості механічних домішок приводить до зростання бракованих виробів, виготовлених з металу або кольорових сплавів, а це є показником нераціонального використання природних ресурсів. Постійна швидкість осадження визначалася за формулою Стокса (при Re від 1^-4 до 1000). На рис.2 приведено криві, що характеризують залежність швидкості осадження частинок піску, корунду і заліза від розмірів частинок і значення числа Рейнольдса. Розглянуто теоретичні основи укрупнення (утворення пластівців) зважених речовин і коалесценції нафтопродуктів. Доведено, що для успішного протікання процесу зближення і подальшого прилипання твердої частинки або крапельки нафтопродуктів до бульбашки, найбільше значення має градієнт коагуляції. По Дерягіну Б.В. ефективність зіткнення частинок і бульбашки газу (Е) кількісно можна обчислити за залежністю

Е = b²_с / R² , (1)

де b_с - максимальний радіус трубки струму, що набігає на бульбашку потоку рідини, всі частинки з якої осідають на поверхні бульбашки, м; R - радіус бульбашки газу, м.

Перебіг рідини в околиці спливаючої бульбашки носить потенційний характер, якщо рух його поверхні не загальмований поверхнево-активними речовинами і критерій Рейнольдса

Re = (2 RU/) 1, (2)

де U - швидкість спливання бульбашки, м/с; - кінематична в'язкість, м²/с.

Визначено значення критерію Рейнольдса для водних технологічних середовищ з урахуванням того, що досліджуються процеси електрофлотації і пневмофлотації. Бралося до уваги, що у процесі застосування ВТС змінюють температуру: були проаналізовані процеси при температурах 293, 303 та 313 К, які відповідають кінематичній в'язкості 1,004; 0,801 і 0,658 (м²/с. 10^-6) відповідно. При аналізі було виконано дослідження швидкості спливання бульбашок електролізних газів, які були прийняті для двох усереднених граничних швидкостей 0,17 і 0,25 м/с.

В процесі виконання роботи доведено, що для успішного протікання процесу зближення і подальшого злипання твердої частинки або крапельки нафтопродуктів до бульбашки визначальне значення має градієнтна коагуляція, що характеризується градієнтом швидкості G. При цьому

G = Ug/U , (3)

де Ug - швидкість седиментації частинки на поверхню бульбашки, м/с. 10^-2; U - швидкість спливання бульбашки, м/с.10^-2

Ug = ( g /18) a²_g , (4)

де - різниця щільності частинок (крапельок) мастил і води, кг/м³; g - прискорення вільного падіння, м²/с; - динамічна в'язкість, Па с; а_g - радіус частинки (краплі), м.

Е_o = Е_p + G/(1 + G), (5)

Е_о - ефективність зіткнення при безнерційній флотації; Е_p - ефективність зіткнення при потенційному режимі.

Слід зазначити, що процеси укрупнення завислих речовин (коагуляція і флокуляція), коалесценція крапель нафтопродуктів, мікрофлотація твердих домішок, мастил і нафтопродуктів протікають за аналогічними законами. При цьому доцільно використовувати безрозмірний показник GT (критерій Кемпа) для оцінки гідродинамічних умов мікрофлотації (де Т - час перебування оброблюваної води у камері флотації, с).

У дисертаційній роботі вдосконалено запропоновану І. Аргаманом і У. Кауфманом залежність стосовно очищення технологічних емульсій:

n^o₁/n¹₁ = ( 1 + K_AGT)/(1 + K_BG²T), (6)

де n^o₁ і n¹₁ - концентрації частинок забруднень в емульсії на вході і виході з камери флотації, м^-3; K_A і К_b - константи швидкостей утворення і руйнування пластівців (краплин) відповідно.

Так як, K_AGT>>1, K_BG²T>>1, то

n^o₁/n¹₁ Кф = K_A/ (K_BG), (7)

1/G - коефіцієнт пропорційності або коефіцієнт флотації, 1/G = . Чим більше значення G, тим менше значення . Для емульсій і мастило вмістивних вод ефективна величина G = 60, а = 1/60 = 0,017.

Таким чином, встановлено взаємозв'язок фізичних, фізико-хімічних, хімічних і гідродинамічних параметрів процесу, що забезпечують ефективне укрупнення (утворення пластівців) завислих речовин, коалесценцію крапель мастил і нафтопродуктів, а також флотацію забруднень, що містяться у водних середовищах. Основним параметром, що забезпечує спільність чинних процесів, є градієнт швидкості руху рідини або бульбашок повітря (газу). Отримані теоретичні результати були покладені в основу проектування апаратів для ефективного і ресурсозберігаючого електрохімічного вилучення домішок з водних технологічних середовищ.

Досліджено стійкість промислових середовищ типу МОР і механізм її руйнування. Встановлено, що стійкість визначається величиною ж - потенціалу поверхні масляних частинок. Порушення стійкості технологічних середовищ типу МОР і миючих рідин, в основному пов'язано з діяльністю бактерій. Модель руйнування стійкості середовищ бактеріями розглянуто в дисертаційній роботі.

Стійкість звичайних водних середовищ визначається, в основному, фазовим переходом, тоді як стійкість дисперсних систем, до яких відносяться і водні технологічні середовища, може порушуватися в результаті розшарування і виділення дисперсної системи з іншою концентрацією або структурою, зміни дисперсного складу, а також коагуляції або в загальному випадку процесів агрегації і дезагрегації. Порушення стійкості дисперсного складу визначається попаданням мастил з гідросистем верстатів і іншого устаткування, які потім емульгуються за допомогою насосів при перекачуванні емульсій, а, потрапляючи в стаціонарні ванни зберігання або канали, де мала лінійна швидкість та ламінарний режим руху потоку - вивільняються. У результаті виконаних експериментів, отримано кінетичні моделі агрегатної стійкості емульсії в умовах їх експлуатації при температурах 293, 303, 313 і 323 К відповідно

W₂₉₃ = 7,176 10^-7 t^{1,4814 10-3,} (8)

W₃₀₃ = 9,758 10 ^-7. t^{1,316 10-3 ,} (9)

W₃₁₃ = 12,5 10 ^-7. t^{1,325 10-3 ,} (10)

W₃₂₃ = 21,5 10^-7. t ^{0, 86 10-3}. (11)

Висока стійкість емульсій, обумовлюється наявністю значного енергетичного бар'єру, що перешкоджає зближенню частинок. Свіжо приготована водна емульсія має достатній ступень стійкості, що визначається значенням - потенціалу. Сферичні крапельки мають певний заряд. Злиття крапель відбувається тільки у результаті їх зіткнення. Проте, не кожне зіткнення приводить до злипання. Це детальніше розглядається в теорії активних зіткнень. Необхідне зіткнення частинок за однакових умов зіткнень визначається сумарною енергією їх взаємодії. За відсутності енергетичного бар'єру спостерігається швидка коагуляція, а при деякій висоті бар'єру може чинитись повільна коагуляція. З формул, які було запропоновано Дерягіним Б.В., і отриманих у дисертації результатів досліджень виходить, що визначальну роль в процесах коагуляції і порушення стійкості водних емульсій, грає зниження величини повного ц₀ потенціалу до критичного рівня.

На основі теорії електрокоагуляційного очищення водних технологічних середовищ було теоретично обґрунтовано і експериментально доказано, що багатокомпонентні середовища очищаються гідроксидом заліза, що електрогенерується швидше і ефективніше, ніж моно системи або двох-трьох компонентні системи. Аналізуючи отримані результати, було зроблено висновок, що процес електрокоагуляції охоплює у першу чергу іони Cu^2+, Co^2+, Mo⁶⁺ і у меншій мірі беруть участь в цих процесах, за вказаних умов, іони Ni²⁺. Іони Al³⁺ сприяють процесу коагуляції оскільки самі є чудовим коагулянтом.

Встановлено залежність ефекту очищення водного середовища від міцності пластівців і величини швидкісного градієнту, обумовленого перемішуванням середовища. Руйнування пластівців приводить до часткової втрати їх поверхневого заряду і погіршення ефективності процесу очищення.

Отримано математичний опис процесу електрокоагуляційного очищення водних середовищ, що містять ПАР. Встановлено, що вилучення ПАР з водних технологічних середовищ, є складним завданням для процесів електрокоагуляційного очищення, тому необхідно підвищити ефективність шляхом застосування нових конструктивних рішень, з урахуванням теорії послідовної коагуляції домішок (фракціонованої).

Досліджено кінетику розвитку бактерій в водних середовищах типу МОР за різних температур. Отримано математичну модель процесу утилізації емульсолу бактеріями на основі моделей Моно-Єрусалимського і знайдено коефіцієнти цих моделей.

Встановлено, що зміна кількості бактерій у водних технологічних середовищах носить гармонійний характер, який визначається умовами їх розвитку і температурними режимами. Основним завданням управління процесом трансформації водних середовищ є стабілізація зростання бактерій на найменшому рівні і створення керованого «реактору» бактерій. Модель процесу трансформації описувалася з використанням поліномів 3-го і 4-го порядку. Коефіцієнти математичної моделі визначалися методом найменших квадратів. Було розроблено матриці визначення коефіцієнтів моделі і графіки залишків. Отримана похибка обчислень (сума квадратів відхилень від даних отриманих у дослідах) менше у полінома 4-го порядку, тому його і вибрали для подальших досліджень. Оскільки вид отриманої залежності близький до періодичного, то його апроксимування здійснили тригонометричним поліномом з ряду Фур'є. Для оцінки впливу гармонік різних порядків було побудовано амплітудно-частотну характеристику та визначено спектральну щільність. Якнайкращим є наближення з двадцятьма гармоніками. Остаточний вид математичної моделі процесу трансформації наступний,

(12)

Встановлено, що серед газів - азоту, кисню, озону і вуглекислого газу, найбільш прийнятним для процесів інгібірування трансформації водних середовищ біологічними компонентами є діоксид вуглецю. Експериментально визначено, що процес інгібірування процесу метаболізму бактерій вуглекислим газом у водних технологічних середовищах є високоефективним. Отримано параметри процесу, які визначаються надмірним тиском в ємкості і водному середовищі, що дорівнює 294 кПа.

Дослідження технологічного процесу електроокислення бактерій в лабораторних умовах, дозволили визначити параметри проведення процесу: витрата емульсій в межах 2 - 3 м³/годину; сила струму - 300 - 500 А; розміри електродних пластин - відповідно до технічного завдання; відстань між електродами - 0,02 м; кількість електродних пластин і електродів - відповідно до технічного завдання і технології процесу очищення; необхідно обов'язково передбачити збірник і вирішити питання про утилізацію маслянистої піни.

Встановлено, що процес знезараження неможливо виконати в одному апараті за один технологічний цикл при значних об'ємних витратах водного середовища від 100 до 500 м³/годину, необхідне багатократне пропускання емульсії через електроди, а це ускладнює процес і робить його енергетично ємким. Поверхня пластин швидко забруднюватиметься, і тому необхідне їх часте очищення. Таким чином, технологію електроокиснення бактерій можна застосовувати тільки для емульсій з незначною кількістю розчинених мастил.

У розділі 4 приведено розробку процесів і апаратів, що інгібірують трансформацію водних технологічних середовищ. На основі відомих класифікацій, пропонуються процеси і апарати коригування значущих при трансформації показників, які впливають на ресурс застосування ВТС на виробництві. Наведено класифікацію основних хімічних процесів в апаратах, що розробляються:

1. Гідромеханічні процеси:

перемішування потоків рідин (емульсій і розчинів) за допомогою відцентрових насосів, газу і мішалками;

розділення рідких середовищ в полі сил тяжіння (відстоювання).

2. Масообміні процеси визначаються способами:

нейтралізації і коригування показника рН емульсій і розчинів;

коагуляції домішок в емульсіях і розчинах гідроксидами металів, при виконанні процесів електрокоагуляційного очищення.

3. Хімічні процеси характеризуються застосуванням реагентів для коригування показників рН МОР і розчинів, у процесах вилучення мастил та інгібірування газом зростання кількості бактерій. Процеси коагуляції і біохімічні.

4. Біохімічні процеси характеризуються активністю бактерій у водних емульсіях і застосуванням технологій мікробіологічної деструкції МОР.

5. При проведенні технологій застосовується обігрів технологічних ємкостей, в ємностях з мікробіологічним руйнуванням емульсій, і створення надмірного тиску газу при інгібіруванні зростання бактерій.

6. За способом організації хімічної технології всі апарати і технологічні системи підрозділяються на періодичні (пристрої інгібірування зростання бактерій, мікробіологічної деструкції, пристрої коригування показника рН рідин) і безперервні (електрокоагулятори, поличні відстійники і відстійні камери, ємкості технологічних ліній).

7. Всі пристрої виконано як стаціонарні локальні, окрім пересувної установки по коригуванню якості емульсій окремо розташованих верстатів і агрегатів, і пересувної установки електрокоагуляційного очищення середовищ від вільних мастил і інших домішок.

...