Комплексна схема переробки технологічних розчинів - як складна технологічна система та її аналіз

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Комплексна схема переробки технологічних розчинів - як складна технологічна система та її аналіз

Бєлікова С.В., ст. 4 курсу ФПМіКІС, Корчик Н.М., доц., Яцков М.В.,

зав. каф. (Національний університет водного господарства та природокористування, м. Рівне)

В роботі розглядається методика виконання досліджень для складання матеріальної моделі з врахуванням специфіки гальванічного виробництва, що дозволяє за допомогою алгоритму змінювати різні параметри вибираючи оптимальні умови які забезпечують найефективніший перебіг процесу (одержання кращих показників знешкодження, найвищих ступенів перетворення).

The original methods of executing of investigations and building up a material model are created, taking into consideration the specifics of galvanic production, which allows with the help of an algorithm to change different characteristics (profiles), choosing optimal conditions, which supply the most effective running of the process (the getting best indexes of the security, the highest degree of transformation).

В даний час на одному з перших місць по гостроті проблеми стоять питання економії природних ресурсів та збереження екологічної рівноваги між виробничою діяльністю людини та навколишнім середовищем. По ступені негативного впливу на навколишнє середовище на першому місці стоїть гальванічне виробництво.

Неконтрольована дія іонів металів (хрому, нікелю, міді, кадмію, цинку) створює небезпеку не лише для здоров'я сучасного покоління, але і майбутньому, при цьому з кожним роком ця загроза все збільшується. Для значного вирішення даної проблеми потрібно знайти оптимальні варіанти здійснення процесу знешкодження концентрованих технологічних розчинів та умов управління даним хімічним процесом.

За рахунок утворення на підприємствах технологічних розчинів, що як правило поступають на очисні споруди, втрачаються тонни мінеральних кислот, сотні кілограмів дефіцитних та дорогих кольорових металів та їх сполук, стічні води забруднюються токсичними речовинами, скид водойми суворо лімітований, збільшується навантаження на очисні споруди, порушується їх режим роботи, тощо.

До недавнього часу питання управління хімічними реакціями вирішувалась без розглядання сутності процесів в реакторі які проходять, можливості оптимізації їх режимів. До управління хімічними процесами підходили чисто емпірично, порівнюючи лише параметри на виході та вході реактора. На сучасному етапі розвитку технології очистки стічних вод для оптимізації процесів та апаратів все більш широко застосування находить розрахункові методи. В значній частині випадків вдається використовувати методи, детально розроблені в основній хімічній технології.

Метою комплексної системи (КС) є переробка відпрацьованих технологічних розчинів (ВТР) від різноманітних операцій та різного складу гальванічного виробництва за принципом комбінації різноманітних методів.

Хімічно технологічні системи (ХТС) виробничих процесів працюють, як правило в умовах попереднього розрахунку та дотримання жорстких режимних параметрів всіх поступаючих в апарати матеріальних потоків. Для технологічних систем очистки, напроти, характерна сильна, зовні задана не стаціонарність вхідних потоків. В особливу категорію в даному випадку відносяться концентровані технологічні розчини гальванічного виробництва, які поступають на обробку по технологічному регламенту або в результаті аварійних викидів періодично. При цьому змінною є як періодичність так і склад, тобто змінними є і періодичність і динамічність складу.

В центрі даної роботи стоять питання розрахунку якості очистки в реальних технологічних умовах і синтезу технологічних систем , здібних з мінімальними затратами забезпечити в цих умовах необхідну якість очистки та його стабільність. У даній роботі було використане як матеріальне так і математичне моделювання процесу. При матеріальному моделюванні були проведені дослідження в лабораторії на об'єктах замінюючих оригінал - хімічний реактор (змішувач періодичної дії). Дослідження були проведені на реальних технологічних розчинах. Метою даного дослідження було визначення оптимальних параметрів для управління знешкодження концентрованих технологічних розчинів від основних операцій. Знешкодження здійснювалось за рахунок осадження. Фізико-хімічні дослідження проводилися з використанням методу потенціометричного титрування, що дозволяє використовувати хід хімічних взаємодій та умов регулювання рН як параметра процесу.. Управління хімічним процесом так як і любим другим, неможливо здійснити без знання математичної моделі як в статиці (стаціонарний ста) так і динаміці (нестаціонарний стан) об'єкту регулювання. Дане дослідження дозволяє зробити статичний аналіз системи (витрату реагентів, мольне співвідношення реагентів, концентрація розчинів при різних значеннях рН). Були також проведені і кінетичні дослідження, що дозволило отримати такі залежності як: концентрація міді від швидкості протікання реакції, швидкість протікання реакції обеззараження від часу обробки, залежність глибини очистки від часу перебування вод від основних операцій у реакторі, і таким чином було визначене кінетичне рівняння.

Математичне моделювання використане на основі математичного моделювання нестаціонарних процесів з гідродинамічним процесом. Експеримент здійснений безпосередньо на підсистемі, яку досліджуємо, а одержані дослідні дані оброблювались складанням критеріальних рівнянь (табл..2). Даний науково обґрунтований метод дослідження базується на системному аналізі як самих хімічних процесів, так і на їх сукупності у вигляді технологічних схем та систем управління.

На рис.1 представлена хіміко-технологічна система очищення стічних вод від основних технологічних операцій гальванічного виробництва яка є низкою взаємозв'язаних технологічних потоків діючих як одне ціле, в яких відбуваються в певній послідовності технологічні операції.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.1. Розширена принципова схема очищення стічних вод гальванічного виробництва: 1* - усереднення концентрованих технологічних розчинів; 1. - усереднювання вод від операцій промивок та змішування їх з концентрованими технологічними розчинами; 2. - змішування, 1-ої ступені очистки; 3. - флотація та освітлення; 1-ої ступені очистки; 2*, 3* - бачки з реагентами; 4. - змішування, 2-гої ступені очистки.; 5. - флотація та освітлення, 2-гої ступені очистки.6.доочистка на пінополістирольному фільтрах; 7 - сатуратор; 8 - водо підготовка, змішування робочої рідини з водопровідної водою; 9 - накопичувач очищеної води.10 - обезводнення осаду на нутч-фільтах; 11. - збірник декантату; 12 - збірник обезводненого осаду

В даній роботі розглядається режим роботи очисних споруд для технологічних розчинів від операцій міднення у реакторі нестаціонарного стану (періодичної дії) в поз.2, 4-змішувачі).

Технологічні розчини від основних операцій поступають періодично з кратністю скиду 1 раз в зміну, при цьому змішування їх з основним потоком призводить до порушень роботи очисних станцій, а також до втрати цінних компонентів, що містяться в цих розчинах. Встановлено, також, що виділення їх в окрему категорію є енергетично вигідним.

Надходження технологічних розчинів в стічні води, в залежності від об'єму виробництва, може складати від декількох десятків до тисяч м3/год. з середньою концентрацією металу 20 г/л, що відповідає загальній кількості металу, який скидається 150-70000 кг/год. При цьому технологічні розчини, які надходять, як правило, мають сильно виражені кислі або лужні властивості з рН = 2-3; рН = 10-11,5, відповідно.

Технологічні системи виробничих процесів працюють, як правило, в умовах попереднього розрахунку та дотримання жорстких режимних параметрів всіх поступаючих в апарати матеріальних потоків. Для очистки технологічної системи характерні сильні, зовнішні завдання нестаціонарних потоків. В умовах протікання технологічних процесів ця не стаціонарність, обов'язково призводить до існуючих труднощів. Неможливість своєчасно прикласти до потоку необхідну кількість реагентів в залежності від матеріальних потоків, являється дуже серйозною перешкодою на шляху реалізації тої глибини очистки, яку гарантує фізико-хімічна основа методів, закладених в технологічній системі.

Модель процесу яка використовується при проектуванні , часто відрізняється від тих, які використовуються при управлінні. А саме, одним із найбільш важливих аспектів в випадку управління являються швидкість рішення системи та можливість моделі до адаптації.

Тому, поставили задачу систематизувати оптимальну технологічну схему очистки, на основі динамічної характеристики зміни складу стічної води від основних технологічних операцій, та задавшись потрібною глибиною очищення забезпечити стабільну роботу при мінімальних витратах. Експеримент здійснений безпосередньо на підсистемі, яку досліджуємо, а одержані дослідні дані оброблювались складанням критеріальних рівнянь (таблиця).

Приймається режим роботи очисних споруд - періодичний (нестаціонарний) з продуктивністю - 1м3/сутки.

В даній роботі розглядається режим роботи очисних споруд для технологічних розчинів від операцій міднення у реакторі нестаціонарного стану

Регулювання хімічним процесом так як і любим другим, неможливо здійснити без знання математичної моделі в статиці (стаціонарний стан) та динаміки (нестаціонарний стан) об'єкту регулювання.

Далі будемо досліджувати динамічні умови динамічного характеру підсистеми.

Для досліджуваного процесу осадження концентрованого розчину гальванічного виробництва процессу міднення крива потенціометричного титрування має вигляд(рис.2). Представлена крива потенціометричного титрування на основі якої побудована крива буферної інтенсивності. Таким чином, було встановлено, процес хімічного осадження відбувається в інтервалі рН=6ч11. В даному інтервалі рН визначають концентрацію міді що залишається в розчині, і при цьому розраховуємо відповідну витрату (мольне співвідношення) реагентів, при цьому інтервал регулювання становить (8ч15г/л).

міднення гальванічний розчин очисний

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.2. Крива потенціометричного титрування розчину складу:

По результатам досліджень хімічного осадження було, встановили зв'язок між глибиною очистки (ступеню перетворення) і відповідно параметрами, що регулюються, а саме:

- залежність глибини очистки від значення рН - середовища.

- залежність глибини очистки від швидкості часу перебування стічних вод у реакторі.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.3. залежність глибини очистки від значення рН-середовища

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.4. залежність глибини очистки від часу перебування стічних вод від основних операцій у реакторі

Результати дослідження даних залежностей представленні, відповідно, в формі математичних рівнянь.

При дослідженні динаміки системи було встановлено залежність концентрації міді від часу обробки у реакторі.

Рис.5. Залежність концентрації Cu2+ від часу обробки

Про диференціювавши дані отримали залежність швидкості протікання реакції від часу обробки.

Рис.6. Залежність швидкість протікання реакції обеззараження від часу обробки

На основі даного рівняння я визначила порядок реакції (ІІ), а коефіцієнт n=1.55.

Отже кінетичне рівняння набуде вигляду:

де, коефіцієнт знаходимо з рис.9, залежність концентрації міді від швидкості протікання реакції.

Рис.7. Залежність концентрації міді від швидкості протікання реакції обеззараження від часу обробки

Таким чином, кінетичне рівняння буде мати вигляд:

Кінетичне рівняння дозволяє визначити ступінь перетворення при різній швидкості подачі реагенту.

Таблиця. Математична взаємодія показників якості з параметрами операції, які регулюються

Висновок

Виконаний аналіз літературних джерел з проблеми знешкодження концентрованих технологічних розчинів гальванічного виробництва та проведені дослідження статичних та динамічних характеристик процесу знешкодження.

Розроблена оригінальна методика виконання досліджень для складання матеріальної моделі з врахуванням специфіки гальванічного виробництва, що дозволяє за допомогою алгоритму змінювати різні параметри вибираючи оптимальні умови які забезпечують найефективніший перебіг процесу (одержання кращих показників знешкодження, найвищих ступенів перетворення). На основі принципів системного аналізу розроблена методологія дослідження та оптимізації процесу знешкодження концентрованого розчину від операції міднення у підсистемі. Відповідно до якої побудований математичний опис даного процесу. Математична модель являє собою залежності найголовніших показників, що забезпечує прогнозування протікаючих в підсистемі процесів без натуральних експериментів.

За допомогою рівнянь та залежностей які були виведені у даній роботі, можна здійснювати:

- оперативне визначення основних статичних та динамічних характеристик, при управлінні технологічною системою знешкодження концентрованих технологічних розчинів від гальванічного виробництва;

- визначити необхідну кількість реагентів в залежності від матеріальних потоків, що являється дуже серйозною перешкодою на шляху реалізації тої глибини очистки, яку передбачає технологічна система;

- оптимізувати технологічні параметри для знешкодження концентрованих технологічних розчинів гальванічного виробництва;

- передбачити хід та характер хімічної взаємодії в системі, при динамічній роботі.

Обґрунтовані практичні рекомендації щодо запровадження в реальність.

По розробленій математичній моделі підсистеми знешкодження концентрованих розчинів від операцій міднення можна розробити математичні моделі від різних операцій різного складу цілої системи, що забезпечить розробити ефективний процес знешкодження концентрованих технологічних розчинів від різних операцій гальванічного виробництва.

Література

1.Гибкие автоматизированые гальванические линии: Г46 Справочник/В.Л. Зубченко,В.Захаров, В.М. Рогов и др.;Под общ.ред. В.Л.Зубченко.-М.: Машиностроение, 1989.

2.Теория инженерного эксперимента. Х.Шенк.;М.: «Мир».1972.

3.Общая химическая технология . Под редакцией проф. А.Г. Амелина. М., «Химия», 1977

4.Принципы математического моделирования химико-технологических систем. Кафаров В.В.., Перов В.Л., Мешалкин В.П. М., «Химия». 1977.

5.Введение в моделирование химико-технологических процессов. А.Ю.Закгейм. М., «Химия», 1982.

6.Загальна хімічна технологія: Підручник/ В.Т. Яворницький, Т.В. Перекупко, З.О.Знак, Л.В. савчук. - Львів: Видавництво Національного університету «Львівська політехніка».

7. Дин С.В., Цупак Т.Е./ Тез. докладов межресп.науч.-техн.конф. «Экологические проблемы в области гальванотехники» (киев, апрель, 1991). Киев, 1991.

Размещено на Allbest.ru