Підвищення ефективності роботи натрій-катіонітових фільтрів в системі водопостачання підприємств теплоенергетики

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний університет водного господарства та природокористування

УДК 628.16

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Підвищення ефективності роботи натрій-катіонітових фільтрів в системі водопостачання підприємств теплоенергетики

05.23.04 - водопостачання, каналізація

Чуб Ірина Миколаївна

Рівне 2010

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Підприємства теплоенергетики є одними з найбільш великих споживачів води в народному господарстві як України, так й інших країн. Ці підприємства-споживачі характеризуються великою кількістю стічних вод і забруднень, які є небезпечними для навколишнього середовища. Останнім часом особлива увага приділяється удосконаленню і впровадженню ресурсозберігаючих технологій, переходу підприємств на замкнені системи водопостачання. При цьому досягнення практичних результатів можливе за рахунок підвищення ефективності роботи окремих споруд у системі водопостачання підприємств теплоенергетики, важливим елементом яких є катіонітові фільтри.

Найбільш поширеним апаратурним оформленням процесу зм'якшування води на підприємствах теплоенергетики є апарати з нерухомим шаром, які завантажені катіонітовими смолами. Натрій-катіонітові апарати входять до складу хімводопідготовки й забезпечують безперебійну роботу підприємств теплоенергетики. Однак на власні потреби вони споживають до 20% витрат обробленої води і до 40 тис. т солі за рік. Однією з причин таких великих витрат є зафіксовані робочі параметри фільтра: швидкість фільтрування, робоча ємкість, кількість солі й води, максимальна продуктивність, які визначаються на стадії проектування і не змінюються у процесі експлуатації. Постійна робота фільтрів у максимальному режимі приводить до частих регенерацій, короткого фільтроциклу, неповного використання ємкості завантаженого катіоніту. У результаті цього ефективність роботи натрій-катіонітових фільтрів знижується. Серед шляхів, що використовуються для підвищення ефективності їх роботи, найбільш перспективним є зміна робочих режимів фільтрування у процесі експлуатації. Це може забезпечити більш ефективне проведення процесу за рахунок зменшення експлуатаційних витрат, енергозбереження, зменшення витрат води і реагентів на власні потреби водопідготовки. Для зміни швидкості фільтрування та інших пов'язаних з нею робочих параметрів необхідно застосовувати розрахункові методи, що враховують умови експлуатації катіонітових фільтрів. Тому розробка теоретичної бази і на її основі удосконалення методу розрахунку, який враховує умови роботи фільтра й забезпечує отримання адекватних результатів, є актуальними для підвищення ефективності роботи натрій - катіонітових фільтрів у системі водопостачання підприємств теплоенергетики.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Роботу виконували в рамках державної програми «Розробка наукових основ ресурсозберігаючих технологій підготовки екологічно чистої питної води». Вона пов'язана з планами держбюджетної тематики Харківської національної академії міського господарства на замовлення Міністерства освіти й науки України (№ держреєстрації 0106U004603) за темою «Розробка ресурсозберігаючих екологічно безпечних технологій при очищенні природних та стічних вод», номер держреєстрації № 0107U000253, в якій автор брала участь як співвиконавець.

Мета і завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи є удосконалення методу розрахунку катіонітових фільтрів для зміни робочих параметрів та визначення більш ефективних умов експлуатації натрій-катіонітових фільтрів в системі водопостачання підприємств теплоенергетики.

Досягнення поставленої мети здійснювалося вирішенням таких завдань: натрій катіонітовий фільтр водопостачання

- вивчити фактори, що впливають на процес зм'якшення води в натрій-катіонітових фільтрах з нерухомим щільним шаром катіоніту; науково обґрунтувати й розробити принцип урахування нерівноважних умов, що виникають при зм'якшуванні води;

- запропонувати математичну модель для визначення форми концентраційного фронту; удосконалити спосіб визначення невикористаного катіоніту в робочій зоні фільтра;

- удосконалити метод розрахунку катіонітового фільтра й розробити програмний модуль для створення автоматизованого робочого місця (АРМ) операторів-технологів хімводопідготовки (ХВП) для визначення ефективних робочих параметрів в умовах експлуатації;

- виконати порівняння удосконаленого методу розрахунку з існуючими методами у водопідготовці; дати оцінку отриманим результатам;

- виконати дослідно-промислові підтвердження удосконаленого розрахункового методу на промисловому підприємстві й виконати впровадження результатів досліджень у практику; визначити техніко - економічну ефективність від впровадження програмного модуля (АРМа), розробленого з урахуванням запропонованих теоретичних положень.

Об'єкт дослідження - процес підготовки води для водопостачання підприємств теплоенергетики.

Предмет дослідження - методи розрахунку катіонітових фільтрів, технологічні схеми зм'якшення воді, експлуатація катіонітових установок.

Методи дослідження. Для вирішення поставлених завдань був використаний комплекс сучасних методів. При проведенні експериментів були застосовані методи пасивного й активного експерименту з наступною обробкою на ПЕОМ. Науковий аналіз і експериментальні дослідження виконані в промислово-лабораторних умовах з використанням реальних вод. Концентрацію катіонів жорсткості у воді визначали якісними й кількісними методами аналітичної хімії.

Наукова новизна отриманих результатів. У дисертаційній роботі набули подальшого розвитку методи розрахунку натрій - катіонітових фільтрів у схемі водопостачання підприємств теплоенергетики, що полягають в наступному:

- вперше запропоновано коефіцієнт для урахування нерівноважних умов, який використовують для розрахунку періоду фільтрування та динамічної обмінної ємкості натрій-катіонітового фільтра;

- удосконалено математичну модель для визначення розподілу концентрації катіонів жорсткості в робочій зоні фільтра з урахуванням нерівноважних умов;

- запропоновано залежності для визначення динамічної обмінної ємкості катіонітового фільтра й робочого періоду фільтра;

- удосконалено метод визначення невикористаного катіоніту в умовах експлуатації.

Практичне значення отриманих результатів:

- розроблено методику розрахунку фільтра, яка дозволяє визначати робочу ємкість, час роботи, кількість солі та води при зміні швидкості фільтрування;

- запропоновано формули для визначення робочої ємкості й часу фільтроциклу в умовах експлуатації;

- розроблено програмний модуль для створення АРМа операторів-технологів. Застосування розробленої програми дозволяє підвищити ефективність роботи катіонітових фільтрів при експлуатації за рахунок скорочення витрат води й реагентів на власні потреби водопідготовки;

- проведено аналіз роботи фільтрів деяких котелень м. Харкова та визначено шляхи підвищення ефективності їхньої роботи за рахунок продовження фільтроциклу, зменшення витрат води і реагентів, більшого використання завантаженого катіоніту;

- результати дисертаційної роботи прийняті до реалізації на комунальному підприємстві «Харківські теплові мережі» м. Харкова (програмний комплекс). Результати дисертаційної роботи впроваджені в навчальний процес на кафедрі водопостачання, водовідведення та очищення вод ХНАМГ.

Особистий внесок здобувача. На основі теоретичних і експериментальних досліджень автором особисто розроблені й сформульовані основні положення дисертаційної роботи з визначеного кола питань, а саме: виконано дослідження процесу зм'якшування води й встановлені чинники, що впливають на процес; науково обґрунтовано й розроблено принцип урахування нерівноважних умов, що виникають при обробці води в апаратах катіонного обміну; проведено лабораторні й промислові дослідження; виконано математичну обробку експериментальних досліджень; розроблено спосіб розрахунку форми концентраційного фронту та визначення невикористаної ємкості катіоніту в динамічних умовах; на основі розробленого методу розрахунку для промислових умов визначені раціональні робочі параметри й показана ефективність впровадження розроблених розрахункових методів у виробництво; розроблено програмний модуль для створення автоматизованого робочого місця оператора-технолога для промислового впровадження методу розрахунку й підвищення ефективності роботи катіонітових фільтрів водопідготовки на комунальному підприємстві «Харківські теплові мережі» м. Харкова.

Внесок співавторів публікацій полягає в загальному науковому керівництві, участі в постановці мети й завдань дослідження, а також обговоренні результатів.

Апробація результатів дисертації. Основні результати досліджень і головні положення дисертації доповідались й обговорювалися на наукових конференціях: II Міжнародній науково-технічній конференції «Екологія: освіта, наука, промисловість і здоров'я» (квітень 2004 р., БГТУ, м. Бєлгород); V Міжнародному конгресі «Екологія, технологія, економіка, водопостачання, каналізація» (травень 2005р, м. Ялта, ЕТЕВК-2005, Крим); VII Міжнародному конгресі «Вода, екологія й технологія» (ЕКВАТЕК-2006, м. Москва, 2006 р.); IV Міжнародній науково-практичній конференції «Сталий розвиток міст» (м. Харків, 2005 р.); I Всеукраїнській науково-практичній конференції студентів, аспірантів і молодих вчених (квітень 2006 р., КПІ , м. Київ.); II Міжнародній науково-практичній конференції «Вода, екологія, суспільство» (м. Харків, ХНАМГ, листопад 2006 р.); Міжнародній науково-технічній конференції «Актуальні проблеми водного господарства та природокористування» (м. Рівне, НУВГП, листопад 2007р.); науково-технічній конференції, секція «Водопостачання, каналізація й гідравліка» (лютий 2008 р, м. Харків, ХДТУБА); XXXIV науково-технічній конференції, секція «Екологія та водопідготовка» (м. Харків, ХНАМГ, 2008 р.)

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 15 праць, у тому числі 10 статей у фахових виданнях, окремо статті в закордонному науковому збірнику, 5 тез доповідей на українських і міжнародних конференціях.

Структура й обсяг роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, п'яти розділів, висновків, додатків і списку використаних джерел. Загальний обсяг дисертації - 177 сторінок, у тому числі основна частина - 150 сторінок. Дисертація має 12 таблиць і 30 рисунків, 3 додатки на 9 сторінках. Бібліографія має 192 найменувань із них 17 іноземних.

Основний зміст роботи

У першому розділі «Аналіз сучасного стану процесу водопідготовки на натрій-катіонітових фільтрах» дисертації наведено аналіз стану підготовки зм'якшеної води для підприємств теплоенергетики, які є великими споживачами води, як в Україні, так і за кордоном. Показано, що натрій-катіонітові апарати забезпечують роботу підприємств теплоенергетики без зниження економічності, а також без утворення накипу й відкладень на теплопередаючих поверхнях, але на власні потреби йде 5-20% витрат обробленої води.

У більшості випадків для одержання зм'якшеної води застосовують натрій-катіонітові апарати з нерухомим щільним шаром. Аналіз роботи цих апаратів показує, що однією з проблем, які виникають при їхній експлуатації, є зафіксовані робочі параметри (швидкість, робоча ємкість, кількість солі й води для власних потреб), які визначають при проектуванні цих установок. Як показує практика, необхідна кількість зм'якшеної води мінлива, отже, проведення процесу зм'якшення при фіксованих робочих параметрах призводить до неефективного використання катіонітового завантаження фільтрів і нераціонального використання води й реагентів на власні потреби, а також надлишкового скидання регенераційних вод у навколишнє середовище. Таким чином, для підвищення ефективності роботи натрій - катіонітових фільтрів у замкнутій системі водопостачання підприємств теплоенергетики необхідно в процесі експлуатації визначати раціональні, економічно вигідні робочі параметри.

Виконаний аналіз свідчить, що сьогодні в області водопідготовки розроблена та існує достатня кількість розрахункових методів, за допомогою яких визначається кількість фільтрів першого й другого ступенів, їхній діаметр, висота завантаження катіоніту, робоча обмінна ємкість, швидкість фільтрування, кількість води й солі на власні потреби установки. У наведеному огляді літератури проаналізовано методи моделювання і розрахунку іонообмінних процесів; дана загальна класифікація цих методів; розглянуто існуючі методи розрахунку із застосуванням ЕОМ. Відзначено, що сучасні інженерні методи повинні виконуватися з обов'язковим застосуванням засобів обчислювальної техніки й ґрунтуватися на практичній доцільності - математичний апарат не повинен бути занадто складним, при одночасному урахуванні кінетики і статики. Наведено закордонний досвід підвищення ефективності роботи катіонітових установок, зокрема, технології Амберпак і Апкоре.

Питаннями розробки методів розрахунку катіонітових фільтрів займалися багато відомих вчених. Це Сенявін М.М., Громогласов А.А, Пільщиков А.П., Копилов А.С., Абрамов Н.Н., Олійник О.Я., Найманов А.Я., Кульский Л.А., Бєлан Ф.І, Очков В.Ф., Апельцин І.Е., Мартинова О.І., Фейзієв Г.К., Висоцький С.П., Сироватський О.А., які внесли неоціненний внесок у розвиток теорії іонного обміну і водопідготовки. Однак питання, пов'язані з експлуатацією фільтрів, зокрема розробки і застосування методів розрахунку для визначення часу фільтроциклу, робочої ємкості та кількості солі при зміні швидкості фільтрування на сьогодні висвітлені недостатньо. Застосування існуючих методів не достатнє, тому що вони не відповідають сучасним вимогам. Для визначення раціональних робочих параметрів натрій-катіонитових фільтрів під час їхньої експлуатації на сьогодні немає яких-небудь чітких вказівок. Потрібний розвиток програмних продуктів і впровадження засобів обчислювальної техніки для автоматичного виконання необхідних розрахунків і підвищення ефективності роботи натрій - катіонітових фільтрів.

У другому розділі «Дослідження процесу зм'якшення на натрій-катіонітових фільтрах з нерухомим шаром» викладена методика проведення досліджень, їхня організація та обробка експериментальних даних. При постановці експериментів застосовано сучасні фізико-хімічні методи досліджень і обладнання. Математична обробка даних виконана за допомогою ПЕОМ. Відтворюваність даних визначали в межах довірчого інтервалу. Результати досліджень зіставляли з аналогічними даними, отриманими іншими методами.

Для проведення досліджень у лабораторних умовах було розроблено експериментальну установку, яка складається з колони, баку постійного рівня, насоса, ротаметра, ємності регенераційного розчину, й вимірювальної ємності. На колоні розташовано пробовідбірники для вивчення фільтрувального фронту за зміною концентрації катіонів жорсткості у відібраних пробах.

Експериментальні дослідження проводили при швидкості фільтрування від 3 до 7 м/год. Для досліджень використовували катіоніти марок КУ-2-8 і П'юролайт С 104. Було вивчено вплив швидкості фільтрування і концентрації фільтруючої води на форму фільтрувального фронту й висоту робочої зони. Для досліджень використовували водопровідну воду. У ході роботи встановлено залежність невикористаної ємкості катіоніту від різних факторів. У процесі фільтрування знімали вихідні криві. Концентрацію загальної жорсткості у фільтраті визначали трілонометрічним методом. Визначали об'єм фільтрату до проскоку й об'єму фільтрату до насичення, тобто до виходу у фільтрат вихідної концентрації. Встановлювали середню концентрацію фільтрату від початку проскоку до насичення. За отриманими даними визначали невикористану ємкість катіоніту для різних умов. Отримані результати досліджень наведені в таблицях у другому розділі роботи. Отримані дані піддавали математичній обробці.

Третій розділ «Розробка принципу врахування нерівноважних умов, що виникають при зм'якшенні води в катіонітових фільтрах» присвячений розробці принципу урахування нерівноважних умов при зм'якшуванні води в апаратах катіонного обміну. Виконано теоретичний аналіз розрахунку висоти робочої зони апарата. Для робочої частини апарата складено рівняння матеріального балансу, встановлені вхідна й вихідна концентрації води і катіоніту для робочої частини апарата. Визначено умови утворення стаціонарного фронту та його паралельного переносу у фільтрі. Утворення фронту і рух без зміни форми по фільтру можливі лише для випуклої ізотерми. Експериментально досліджено висоту робочої зони й зміну концентрації катіонів жорсткості у воді за висотою робочої зони в момент настання проскоку катіонів жорсткості у фільтрат.

Для визначення зміни концентрації катіонів жорсткості у робочій зоні фільтра обґрунтовано застосування псевдорівноважної кривої. Вона дозволяє врахувати нерівноважні умови, що виникають під час фільтрування. Її застосування обумовлено недостатньою кількістю часу в робочих умовах для встановлення рівноваги між катіонами у воді й катіоніті. Псевдорівноважна крива має функціональну залежність

, (1)

де ?1- коефіцієнт, що враховує нерівноважні умови.

У третьому розділі теоретичним шляхом отримано аналітичну залежність для визначення коефіцієнта :

, (2)

де - кінетичний коефіцієнт, с-1; - обсяг катіоніта в робочій зоні, м3;

- продуктивність, м3/с; C0 - вихідна концентрація катіонів жорсткості у воді, г-екв/м3.

Для сорбційного фронту, що рухається уздовж фільтра без зміни концентрації, тобто форми, запропонована математична модель (3), (4), що описує обмін катіонів у робочій зоні фільтра на стадії паралельного переносу. Вона базується на рівняннях псевдорівноважної кривої і матеріального балансу, складеного для робочої частини апарата. При цьому використаний пошаровий метод розрахунку. Загальна методика визначення концентрацій у робочій зоні складається з наступних кроків. Для розрахунку робочу зону подрібнюють на декілька шарів, загальною кількістю . За допомогою розробленої математичної моделі визначають концентрації катіонів у воді й катіоніті кожного шару і за отриманими точками будують концентраційну криву:

; (3)

, . (4)

де і - швидкості сорбційного фронту й води м/с;

, - концентрації катіонів у катіоніті й воді на j шарі у динамічних умовах, мг-екв/дм3, мг-екв/дм3;

- кількість шарів.

Граничними умовами для рівнянь (3) і (4) є умови тільки для стадії паралельного переносу:

,

,

де - є шириною концентраційного фронту.

Після перетворень системи рівнянь (3) і (4) було отримано остаточну формулу

(5)

.

Рівняння (5) було вирішене методом Ньютона. У розділі наведено його вирішення. Крім того, наведено графічний спосіб побудови форми концентраційного фронту, що одержав розвиток у поданій роботі. Суть методу полягає в графічному інтегруванні точок, отриманих за допомогою псевдорівноважної кривої (динамічної ізотерми) і робочої лінії. У розділі детально викладено суть графічного методу побудови концентраційного фронту.

Для підтвердження доцільності використання коефіцієнтау системі рівнянь (3), (4), були проведені експериментальні дослідження. У ході експериментів на лабораторній установці визначали зміну концентрацій катіонів жорсткості у воді за висотою фільтра. Для кожної отриманої концентрації у воді визначали відповідну їй у катіоніті . За отриманими даними встановлювали ємкість катіоніту у робочій зоні колонки та встановлювали різницю між повною ємкістю робочої зони та використаною. По результатам досліджень було побудовано концентраційні криві. Розрахункові криві були отримані при вирішенні рівнянь (3) і (4). Для вихідної концентрації С0=7 мг-екв/дм3 та швидкості фільтрування 5 м/год результати наведені на рис. 1.

За отриманими значеннями концентрацій катіонів жорсткості у воді й катіоніті для кожного шару робочої зони визначено невикористану (хвостову) ємкість катіоніту на момент відключення фільтра. Для її розрахунку було запропоновано формулу

, мг-екв, (6)

де - об'єм катіоніту на - шарі; - ємкість катіоніту з урахуванням умов регенерації, мг-екв/дм3.

Експериментально було досліджено вплив швидкості фільтрування і вихідної концентрації у воді на невикористану (хвостову) ємкість у фільтрі при проскоку катіонів жорсткості. Для цього збирали фільтрат від початку проскоку і до насичення (до виходу у фільтрат вихідної концентрації C0), визначали об'єм і його середню концентрацію Cср. За Cср визначали кількість катіонів жорсткості для всього об'єму води . Так встановлювали кількість катіонів жорсткості, яка затримана катіонітом після настання проскоку й пропорційна невикористаній ємкості катіоніту . Експерименти проводили при швидкості фільтрування 5, 7 м/год та різній концентрації катіонів жорсткості у воді. Результати проведених досліджень наведені на рис.2

На підставі виконаних теоретичних та експериментальних досліджень запропоновано залежності (7), (8) для визначення часу роботи фільтра до проскоку й робочої ємкості, з урахуванням способу визначення ємкості катіоніту в робочій частині апарата:

, год. (7)

, г- екв/м3 , (8)

де - обсяг катіоніта у фільтрі, м3 ; - кількість невикористаного катіоніта у фільтрі, м3

Такий спосіб розрахунку враховує умови експлуатації фільтра й невикористану ємкість катіоніту в робочій частині апарата. Обсяг залежить від висоти робочої зони й форми концентраційного фронту, які, у свою чергу, залежать від швидкості фільтрування, діаметру зерна катіоніту і вихідної концентрації води.

На основі запропонованих залежностей (7), (8) й способу визначення невикористаної ємкості катіоніту в робочій частині апарата, розроблена методика визначення часу фільтрування, робочої ємкості до проскоку та кількість солі при зменшенні або збільшенні швидкості фільтрування. У роботі наведено алгоритм, що реалізує цей спосіб.

Встановлення залежності невикористаного катіоніту від швидкості й форми концентраційного фронту і вплив його на визначення часу роботи фільтра до проскоку, а також урахування зниження обмінної ємкості завантаженого катіоніту під час його експлуатації - це головні переваги розробленого методу розрахунку.

У четвертому розділі «Значення розробленого метода розрахунку натрій-катіонітового фільтра для водопостачання підприємств теплоенергетики» розглянуто застосування досліджень для існуючих натрій-катіонітових фільтрів однієї із ТЕЦ комунального підприємства «Харківські теплові мережі». Проведено аналіз роботи системи водопостачання розглянутої ТЕЦ. Детально вивчена робота натрій - катіонітових фільтрів та особливості їх експлуатації. Вивчено режимні характеристики установок. У роботі наведено діаграми, що відображають нерівномірність об'єму зм'якшеної води протягом року.

На основі виконаних розрахунків доведена значущість розробленого методу для підготовки технічної води. Відзначено особливості застосування методу розрахунку для реально працюючих установок. Наведено приклад розрахунку робочих параметрів катіонітового фільтра згідно з розробленим методом. Фільтр має наступні характеристики: d=3,4 м, м, КУ-2-8, г-екв/м3, С0=7 г-екв/м3, Ск= 0,1 г-екв/м3. Зокрема, при зміні швидкості фільтрування у діапазоні 20-10 м/год. визначали висоту робочої зони, період фільтроциклу, робочу ємкість (до проскоку), кількість регенераций і витрату реагентів. Розроблений метод визначення форми концентраційного фронту використаний для визначення ступеня використання ємкості завантаженого катіоніту. Застосування розробленого методу дозволяє визначати кількість й раціональні параметри працюючих фільтрів, які є більш ефективними й економічно вигідними у порівнянні з існуючими. У свою чергу, це приводить до більшого використання ємкості завантаженого катіоніту до 90% і скорочення витрати води і реагентів на власні потреби водоподготовки до 15%. Основні результати розрахунків наведені в табл. 1.

Як показують дані таблиці, вже при швидкості фільтрування 18-17 м/год. значно зменшується кількість солі й води на власні потреби і збільшується період корисної роботи фільтра. Крім того, більше використовується катіоніт, на що вказує зростання робочої ємкості.

Таблиця 1. Визначення технологічних показників при зміні швидкості фільтрування

Швидкість, м/год	Технологічні показники
	Період фільтроціклу , год	Робоча ємкість г-екв/м3	Загальна кількість солі, кг/міс	Загальні витрати води на власні потреби , м3/міс
20	11,33	980	23964	1860
18	12,8	994	22893	1752
17	13,9	1016	22780	1705
15	15,74	1019	22628	1690
13	18,76	1052	21440	1560
12	20,8	1076	21930	1570
10	25,2	1103	22470	1583

Однак головним критерієм при виборі раціональної швидкості й пов'язаних з нею часу фільтроціклу, робочої ємкості й солі - є потреба в певній кількості зм'якшеної води, що залежить від роботи котлів, сезону опалення, зношеності теплових мереж та ряду інших економічних чинників.

У розділі виконане порівняння пропонованого методу розрахунку робочих параметрів катіонітового фільтра з існуючими методами у водопідготовці. Дано оцінку отриманим результатам і теоретичні обґрунтування наявних розбіжностей.

Для підтвердження вдосконаленого методу розрахунку катіонітового фільтра були проведені промислово-лабораторні дослідження на водопровідній воді. У процесі експериментів контролювали зміну концентрації катіонів жорсткості у фільтраті. Для статистичної обробки отриманих результатів всі експерименти проводилися при однакових умовах. Для математичної обробки експерименту був використаний метод найменших квадратів (МНК). Результати експериментальних і розрахункових даних наведені в додатку дисертаційної роботи. Аналіз одержаних результатів дозволяє зробити висновок про задовільний збіг експериментальних і розрахункових даних. Середнє відхилення розрахункових даних від експериментальних не перевищує 5%, що є припустимим.

П'ятий розділ «Розробка програмного комплексу» присвячено розробці програмного модуля і створенню АРМа операторів-технологів водопідготовки.

Програмне забезпечення ПЗ розроблено за допомогою технології Java (Java Development Kit/Java Runtime Environment версії 1.5) і має наступні переваги:

- Мультиплатформність. Тести на трьох операційних системах ОС: Windows XP, MacOS, Linux, тобто одна версія для усіх ОС.

- Дані подані в коді UTF-8.

- Зберігання даних у вигляді файлів і використання зручного для обробки та стандартизування формату зберігання даних XML.

- Можливість використовувати програмне забезпечення на КПК, мобільних телефонах, підтримуючих технологію Java. Це важливо, коли встановлення ПК неможливе через вібрацію, підвищену вологість, запиленість. Зростає мобільність обслуговуючого персоналу.

- Можливість використовувати розроблене ПЗ для web.

- Безпечність роботи програми. Відсутність прямої взаємодії програми з ОС, і як результат - відсутність збоїв у роботі ОС.

- Використання Java (JDK/JRE) не пов'язано з ліцензійними відрахуваннями (використання безкоштовне), що актуально для підприємств.

Розроблений АРМ дозволяє автоматизувати необхідні розрахунки, пов'язані зі зміною швидкості фільтрування у процесі експлуатації, що економить час і не відриває від технологічного процесу. Наведено особливості реалізації програми. Описано етапи роботи з програмою - створення проекту, робота з проектом.

Виконано техніко-економічну оцінку розроблених рішень, спрямованих на підвищення ефективності роботи катіонітових фільтрів. Зокрема, реалізація запропонованого методу дозволяє одержати економічний ефект 10,2 тис. грн. / рік за рахунок скорочення обсягів води й солі на власні потреби хімводопідготовки. Період окупності при впровадженні розробленого АРМу у виробництво складає 2,7 роки, чистий дисконтний дохід - 26,56 тис. грн./рік Таким чином, впровадження АРМа у виробництво і на його основі визначення раціональних робочих параметрів катіонітових фільтрів є ефективним і доцільним.

Загальні висновки

1. У дисертаційній роботі розв'язане важливе науково-практичне завдання, що виявляється в удосконаленні методів і способів розрахунку та розробці шляхів підвищення ефективності роботи катіонітових фільтрів, яке базується на врахуванні нерівноважних умов і розробленій моделі розподілу концентрацій, отриманих, з врахуванням виявлених особливостей, залежностях, що має важливе значення для визначення раціональних параметрів катіонітових фільтрів і режимів їх роботи та дозволяє скоротити експлуатаційні витрати в системах водопостачання підприємств теплоенергетики.

2. Проведено експериментальні й теоретичні дослідження процесу зм'якшення води на катіонітових фільтрах і встановлено фактори, що впливають на формування робочої зони, розподіл концентрації усередині фільтра й обсяг невикористаного катіоніту в момент настання проскоку.

3. Теоретично обґрунтовано принцип урахування нерівноважних умов, що виникають при зм'якшенні води в катіонітових апаратах з нерухомим щільним шаром. Для цього запропоновано використати псевдорівноважну криву.

4. Запропонована й обґрунтована залежність для визначення коефіцієнта, що враховує нерівноважні умови.

5. Запропоновано математичну модель, що дозволяє визначити розподіл концентрацій у катіонітовому фільтрі. Запропоновано метод Ньютона як спосіб вирішення розглянутої системи рівнянь.

6. Отримав розвиток графо-аналітичний метод розрахунку форми концентраційного фронту шляхом урахування нерівноважних умов. Наведена методика побудови форми концентраційного фронту на основі розробленої моделі. Розроблено спосіб визначення невикористаної (хвостової) ємності катіоніту в робочій частині апарата. Запропоновано використовувати метод розрахунку форми концентраційного фронту для визначення робочої ємкості й часу роботи фільтра до проскоку. Розроблено відповідні формули.

7. Розроблено метод розрахунку робочих параметрів у процесі експлуатації катіонітового фільтра. Для реально працюючих Na-катіонітових установок визначені робочі параметри при зміні швидкості фільтрування. Розрахунок показує, що витрата води й реагентів на власні потреби катіонітових фільтрів у процесі їхньої експлуатації може бути скорочена до 15%, а ступінь використання ємкості завантаженого у фільтр катіоніту збільшений до 91%.

8. Виконано перевірку адекватності розробленої математичної моделі й методу розрахунку катіонітового фільтра. Дано оцінку отриманим результатам і наявним розбіжностям. З огляду на проведений порівняльний аналіз отриманих результатів і математичну обробку експериментальних даних встановлено, що розроблений спосіб визначення концентрацій у фільтрі і на його основі метод визначення часу роботи фільтра і його робочої ємкості добре узгоджуються з експериментальними даними.

9. Розроблено програмне забезпечення для автоматизованого виконання всіх необхідних розрахунків з визначення раціональних параметрів катіонітових установок у процесі їх експлуатації. Всі наведені алгоритми запропоновано сконцентрувати у вигляді АРМ оператора-технолога хімводопідготовки. Отримані результати впроваджені у виробництво на комунальному підприємстві «Харківські теплові мережі», а також у навчальному процесі на кафедрі водопостачання, водовідведння і очищення води ХНАМГ.

10. Дано техніко - економічну оцінку застосування розробленого програмного комплексу для визначення раціональних робочих параметрів натрій - катіонітових фільтрів. Економічний ефект від впровадження розробленого методу розрахунку й програмного комплексу на ТЕЦ - 4 м. Харкова становить 10,2 тис. грн./рік.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Чуб И.Н. Расчет массообменных процессов водоподготовки при различном направлении взаимодействующих фаз/ В.А.Ткачев, Д.В.Ткачев, И.Н.Чуб [и др.] // Коммунальное хозяйство городов: Науч.- техн. сб. - К.: Технiка, 2001. - Вып. 27. - С. 103-108. (Здобувачем виконано розрахунок сорбційного процесу з рухом фаз у протилежних напрямках).

2. Чуб И.Н. Представление теоретических и экспериментальных данных по ионному обмену при помощи продукционной модели и логического программирования/ В.А.Ткачев, И.Н.Чуб // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. Вып. -8: - Белгород, 2004 - С. 62-64. - (Материалы 2-й Международной научно - практической конференции). (Здобувачем виконано застосування продукційної моделі для подання експериментальних даних з іонного обміну).

3. Чуб И.Н. Применение компьютерных технологий при расчете сорбционных процессов водоподготовки/ В.А. Ткачев, И.Н.Чуб // Коммунальное хозяйство городов: Науч.-техн. сб. - К.: Технiка, 2004.- Вып.-58. - С. 78 -82. - (Серия «Технические науки и архитектура»). (Здобувачем створено алгоритм розрахунку сорбційного процесу водопідготовки і виконано постановку завдання щодо розробки програмного забезпечення).

4. Чуб И.Н. Расчет материальных балансов систем водоснабжения и водоотведения / В.А.Ткачев, И.Н.Чуб // Коммунальное хозяйство городов: Науч.- техн. сб.- К.: Технiка, 2005. - Вып. 66. - С.233-238. - (Устойчивое развитие городов). (Здобувачем запропоновано алгоритм розрахунку схеми з водопостачання підприємства).

5. Чуб И.Н. Расчет сорбционных фильтров с неподвижным слоем для процессов водоподготовки/ И.Н.Чуб // Сборник тезисов докладов участников I Всеукраинской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. - К., 2006. - C.-134.

6. Чуб И.Н. Применение массообменных методов для расчета ионообменных фильтров/ И.Н.Чуб // Сборник докладов 7-го Международного конгресса. Часть 2, «Вода, экология и технология» (ЭКВАТЭК-2006).- М., 2006. - С. 855-856.

7. Чуб И.Н. Графоаналитический расчет процессов сорбции с помощью компьютерной программы «Массообмен» / И.Н.Чуб // Зб. доп. Міжнар. конгр. «Екологія, технологія, економіка, водопостачання, каналізація» (ЕТЕВК-2005). - Крим, м. Ялта., 2005. - С.222-224.

8. Чуб И.Н. Разработка математической модели неравновесной сорбции / С.А. Станишевский, И.Н.Чуб // Коммунальное хозяйство городов: науч.- техн. сб.- К.: Технiка, 2006. - Вып. 74. - С. 246-250. - (Серия «Технические науки и архитектура»). (Здобувачем розроблено математичну модель).

9. Чуб И.Н. Расчет аппаратов с плотным слоем на основе разработанного способа учета неравновесной сорбции/ И.Н.Чуб // Коммунальное хозяйство городов: Науч.- техн. сб.- К.: Технiка, 2006. - Вып. 74. - С. 263-266. - (Серия «Технические науки и архитектура»).

10. Чуб И.Н. Применение материальных балансов для расчета и организации регенерационных процессов по рациональным схемам/ И.Н.Чуб, В.А.Ткачев//Збірка наукових праць Луганського національного аграрного університету.- Луганськ: Вид-во ЛНАУ, 2007.-№ 72 (95).- С.179-182. - (Серія: «Технічні науки»). (Здобувачем виконана постановка завдання і розроблено метод розрахунку процесу регенерації катіонітових фільтрів за раціональною схемою).

11. Чуб И.Н. Повышение эффективности процессов водоподготовки/ И.Н.Чуб, В.А.Ткачев, А.В. Ромашко // Вісник НУВГП. - Зб. наук. праць. - Вип. 4 (40). Частина 2 - Рівне: 2007. - С. 609-914. (Здобувачем розроблено метод підвищення ефективності роботи катіонітових установок при зм'якшенні води. Особистий внесок Ромашко О.В. полягає у наданні консультацій з роботи водопідготовчих установок для систем теплогазопостачання).

12. Чуб И.Н. Повышение эффективности работы натрий-катионитовых установок на основе разработанного АРМа / И.Н.Чуб // Науковий вісник будівництва.- Х.: ХДТУБА, ХОТВ АБУ. - 2008.- Вип. 46. - С. 208- 212.

13. Чуб И.Н. Разработка метода расчета и повышение эффективности работы Nа-катионитовых фильтров/ И.Н.Чуб // Программа и тезисы докладов XXXIV научно-технической конференции преподавателей, аспирантов и сотрудников Харьковской национальной академии городского хозяйства: «Строительство, архитектура, экология». Часть 1. - Х., 2008. - С.188 -190.

14. Чуб И.Н.Разработка мероприятий для повышения эффективности работы натрий-катионитовых фильтров / И.Н. Чуб, В.А.Ткачев // Коммунальное хозяйство городов: Науч.- техн. сб. - К.: Технiка, 2008. - Вып. 84. -С. 131-136. - (Серия:технические науки и архитектура).

15. Чуб И.Н. Исследование процесса умягчения в катионитовом фильтре/ И.Н.Чуб // Науковий вісник будівництва.- Х.: ХДТУБА, ХОТВ АБУ. - 2008.- Вип. 50. - С. 125- 129.

Анотація

Чуб І.М. Підвищення ефективності роботи натрій-катіонітових фільтрів в системі водопостачання підприємств теплоенергетики. -Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.04 - водопостачання, каналізація. - Національний університет водного господарства та природокористування, Рівне, 2010.

У дисертаційній роботі на основі теоретичних та експериментальних досліджень розроблено метод розрахунку катіонітових фільтрів і на його основі створено ПЗ, яке дозволяє підвищити ефективність роботи фільтрів під час експлуатації. Розроблений метод розрахунку враховує зміну швидкості фільтрування й пов'язані з нею інші робочі характеристики фільтра. Крім того, розроблений метод базується на урахуванні нерівноважних умов, що впливають на робочу ємкість завантаженого у фільтр катіоніту та період його роботи.

На основі теоретичних та експериментальних досліджень було доведено необхідність урахування умов насичення катіоніту в робочій частині фільтра. Для цього запропоновано математичну модель, яка враховує нерівноважні умови і використовується для визначення кількості використаного й невикористаного катіоніту в момент настання проскоку. На основі встановлення кількості невикористаного катіоніту в робочій частині фільтра запропоновано залежності для визначення робочої ємкості й робочого періоду фільтра.

У дисертаційній роботі запропоновано залежності для розрахунку катіонітових фільтрів, розроблено методику визначення робочих параметрів в умовах експлуатації і на її основі створено АРМ операторів-технологів хімводопідготовки. Використання АРМу при експлуатації фільтрів дозволяє визначити більш ефективні робочі параметри: їхню кількість, швидкість фільтрування, кількість води й реагентів на власні потреби.

АРМ дозволяє підвищити ефективність роботи натрій-катіонітових фільтрів в умовах експлуатації за рахунок зниження експлуатаційних витрат та енергозбереження.

Ключові слова: натрій-катіонітові фільтри, зм'якшення, робоча ємкість, період фільтроциклу, швидкість фільтрування, жорсткість води, концентраційний фронт, вихідна крива, робоча зона.

Аннотация

Чуб И.Н. Повышение эффективности работы натрий - катионитовых фильтров в системе водоснабжения предприятий теплоэнергетики. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.04 - водоснабжение, канализация. - Национальный университет водного хозяйства и природопользования, Ровно, 2010.

В диссертационной работе на основе теоретических и экспериментальных исследований разработан метод расчета катионитового фильтра и программное обеспечение АРМ, которые позволяют повысить эффективность их работы в процессе эксплуатации.

Анализируя работу натрий-катионитовых фильтров водоподготовки, было установлено, что при эксплуатации рабочие параметры катионитовых фильтров не изменяются. Проводимые исследования работы цехов химводоподготовки некоторых котельных тепловых сетей г. Харькова показали, что производительность установок умягчения непостоянная и зависит от сезона года.

Анализ существующих методов расчета катионитовых фильтров показал, что вопросы, связанные с эксплуатацией фильтров, разработка и применение метода расчета для определения периода фильтроцикла, рабочей емкости и количества соли при изменении скорости фильтрования на сегодня освещены не в полной мере. Использование существующих методов недостаточно, так как они приближенно учитывают неравновесные условия, что не позволяет их использовать для работающих фильтров. Для определения рациональных робочих параметров натрий-катионитовых фильтров в процессе эксплуатации на сегодня не существует каких-либо четких указаний. Также необходимо развитие программных продуктов и внедрение средств вычислительной техники для автоматизированного выполнения необходимых расчетов.

В результате анализа ранее полученных зависимостей для определения периода работы фильтра и его рабочей емкости установлено, что они зависят от скорости фильтрования, исходной и конечной концентрации воды, а также от емкости загруженного катионита. Экспериментально доказано, что необходимо учитывать условия насыщения катионита в рабочей зоне. Проведенные исследования показали значительное влияние скорости фильтрования на количество неиспользованной емкости катионита. Теоретическое объяснение - это формирование концентрационного фронта и неравномерная отработка слоя катионита.

Для усовершенствования метода расчета катионитовых фильтров предложено учитывать неиспользованную емкость катионита. Теоретически установлено, что изменение концентрации внутри фильтра происходит в рабочей зоне аппарата, которая образуется в определенных условиях и перемещается по фильтру в режиме параллельного переноса. В момент наступления проскока катионит в этой зоне отработан лишь частично. Для определения емкости, которая не участвует в обмене, в диссертационной работе была предложена математическая модель, которая учитывает неравновесные условия и позволяет определить концентрации катионов внутри рабочей зоны в воде и катионите. В математическую модель входит коэффициент, который также учитывает неравновесные условия. В диссертации обоснована зависимость для определения коэффициента. Предложен аналитический и графический методы решения системы уравнений.

На основе приведенной математической модели разработан способ определения неиспользованной (хвостовой) емкости катионита в момент наступления проскока. Учитывая его, предложены зависимости для определения рабочей емкости и периода работы фильтра. Разработана методика определения рабочих параметров в процессе эксплуатации.

Эффективность усовершенствованного метода подтверждается соответствующими расчетами, показано значение полученных результатов для системы водоснабжения предприятий теплоэнергетики. На основе изложенной теории разработан программный комплекс под названием АРМ (автоматизированное рабочее место), который рассчитан на операторов-технологов водоподготовки.

Адекватность разработанного метода подтверждена экспериментально. Кроме того, выполнено сравнение разработанного метода с существующими методами расчета водоподготовки. Дана оценка полученным результатам. Выполнена технико-экономическая оценка разработанных решений. Реализация этих решений позволяет снизить расход воды и реагентов на собственные нужды водоподготовки до 15%, снизить энергозатраты и повысить эффективность работы катионитовых фильтров в процессе эксплуатации.

Ключевые слова: натрий-катионитовые фильтры, умягчение, рабочая емкость, период фильтроцикла, скорость фильтрования, жесткость воды, концентрационный фронт, рабочая зона.

Abstract

Chub Irina. Improving the efficiency of the sodium-cation filter performance in the water-supply systems of the heat-and-power enterprises . - a Manuscript.

The Thesis for the Ph. D. degree in the speciality 05.23.04 - water supply and sewage. - National university of water management and nature resources, Rivne, 2010.

The Thesis is based on theoretical and experimental research and offers the method of the sodium-cation filters calculation. Practical results which has been obtained on this basis allows to improve the sodium-cation filters operation efficiency. The developed method takes into account the changes of the filtration speed and other related characteristics. In addition, the developed method is based on considering of the non-equilibrium conditions that affect operation capacity of the loaded filter and its performance period.

On the basis of the theoretical and experimental research the need of the considering the cation saturation conditions during filter operation is proved. The mathematical model that takes into account dis equilibria conditions and used to determine the quantity of the used and non-used cation at the time of the breakthrough.

On the Thesis the dependencies for the sodium-cation filter calculation was proposed. The technique of the operational parameters estimation in the daily routines conditions was developed. On the basis of such research the water treatment operator's desktop station has been created. The uses of operator's desktop station allows to determine operational parameters (speed of the filtering, reagents consumption ant etc.) more efficiently.

The Keywords: sodium-cation filters, softening, installation of chemical preparation of water, technological parameters, worker capacity, time filter cycle, velocity filtering, acerbity of water, the form of the concentration front, worker zone.

Размещено на Allbest.ru

...