проведена автоматизація методики розрахунку адсорбера з нерухомим шаром адсорбенту за основними техніко-експлуатаційними характеристиками, що дозволяє порівнювати ефективність сорбційної очистки стічних вод від нафтопродуктів. для автоматизації методики розрахунку адсорбера розроблені блок-схема алгоритму розрахунку і програма, реалізована в інтегрованому середовищі Турбо Паскаль 7.0.

Анотація наукової статті з екологічних біотехнологій, автор наукової роботи - Обуздіна Марина Володимирівна, Руш Олена Анатоліївна, Асламова Віра Сергіївна


THE ALGORITHM FOR CALCULATING THE ADSORBER WITH FIXED ADSORBENT LAYER

The automation of methodology for calculating the adsorber with fixed adsorbent layer on basic technical and operational characteristics to compare the efficiency of the sorption purification of waste water from oil products is conducted. The chart of calculation algorithm and the program designed in integrated environment Turbo Pascal 7.0 are developed for automatization of methodology for calculating the adsorber.


Область наук:
  • екологічні біотехнології
  • Рік видавництва діє до: 2012
    Журнал: Сучасні технології. Системний аналіз. моделювання

    Наукова стаття на тему 'Алгоритм розрахунку адсорбера з нерухомим шаром адсорбенту'

    Текст наукової роботи на тему «Алгоритм розрахунку адсорбера з нерухомим шаром адсорбенту»

    ?УДК 502.36 + 502.6: 622.24 Обуздіна Марина Володимирівна,

    к. т. н., асистент кафедри «Безпека життєдіяльності та екологія» Іркутського державного університету шляхів сполучення,

    тел .: 8-914-005-005-8, e-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її. Руш Олена Анатоліївна, д. т. н., професор, зав. кафедрою «Безпека життєдіяльності та екологія» Іркутського державного університету шляхів сполучення,

    тел .: 8 (3952) 63-83-52, e-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її. Асламова Віра Сергіївна,

    д. т. н., професор кафедри «Безпека життєдіяльності та екологія» ІрГУПС,

    е-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    АЛГОРИТМ РОЗРАХУНКУ адсорберах з нерухомими

    ШАРОМ адсорбентів

    M.V. Obuzdina, E.A. Rush, V.C. Aslamova

    THE ALGORITHM FOR CALCULATING THE ADSORBER WITH FIXED ADSORBENT LAYER

    Анотація. Проведена автоматизація методики розрахунку адсорбера з нерухомим шаром адсорбенту за основними техніко-експлуатаційними характеристиками, що дозволяє порівнювати ефективність сорбційної очистки стічних вод від нафтопродуктів.

    Для автоматизації методики розрахунку адсорбера розроблені блок-схема алгоритму розрахунку і програма, реалізована в інтегрованому середовищі Турбо Паскаль 7.0.

    Ключові слова: автоматизація, сорбція, алгоритм, цеоліти, нафтопродукти.

    Abstract. The automation of methodology for calculating the adsorber with fixed adsorbent layer on basic technical and operational characteristics to compare the efficiency of the sorption purification of waste water from oil products is conducted.

    The chart of calculation algorithm and the program designed in integrated environment Turbo Pascal 7.0 are developed for automatization of methodology for calculating the adsorber.

    Keywords: automatization, sorption, algorithm, zeolits, oil products.

    Хімічна, нафтохімічна, нафтопереробна галузі промисловості і залізничний транспорт є основними забруднювачами поверхневих водних об'єктів нафтою і нафтопродуктами [1].

    Показники якості виробничих стічних вод, що відводяться від локомотивних і вагонних депо, мають, в середньому, у такому значенні: температура 10-12 ° С; pH - 7-9; концентрація нафтопродуктів - до 500 мг / л; концентрація зважених речовин - до 400 мг / л; БПКполн -

    50 мг О2 / л; ГПК - 100 мг О2 / л; концентрація ПАР - 1 мг / л. Концентрація нафтопродуктів у стічних водах ряду локомотивних господарств восточносибирского залізниці (ВСЖД - філії ВАТ «Російські залізниці») коливається в межах від 25 до 350 мг / л.

    Стоки подібної якості можуть являти собою досить серйозну небезпеку для навколишнього середовища, внаслідок чого, перед скиданням у системи міської каналізації або природний водний об'єкт, їх необхідно піддавати відповідному очищенні до необхідних санітарних норм [2, 3].

    Відмінною особливістю виробничих стічних вод підприємств залізничного транспорту є наявність в них емульгованих нафтопродуктів. Освіта емульсії відбувається під час обмивки деталей в мийних машинах при підвищеній температурі, сильному механічному перемішуванні з водою в присутності поверхнево-активних речовин і лугів. Зазвичай нафтопродукти у вигляді емульсії містяться в стічних водах в кількості 5-20 мг / л. У такому вигляді вони можуть перебувати у воді тривалий час, не укрупняясь і не спливаючи [4].

    Нами розглянуто підприємство залізничного транспорту - локомотивне депо ст. Іркутськ-Сортувальний. Локальні очисні споруди (ЛОС) ТЧ-15 в складі: нафтоуловлювач, флотатори, механічні фільтри із завантаженням з кварцового піску, фільтри доочистки з завантаженням з активованого вугілля - були запущені в експлуатацію в 1978 р Проектна потужність очисних споруд становить 300 м3 / добу. Фактична-

    Інформатика, обчислювальна техніка та управління. Приладобудування. Метрологія. Інформаційно-вимірювальні прилади і системи

    ш

    ська навантаження на очисні споруди -168,2 м3 / добу.

    Основними забруднювачами стічних вод локомотивного депо є нафтопродукти (дизельне паливо; мазут Н-20; відпрацьовані моторні масла), залізо загальне, завислі речовини. Концентрація нафтопродуктів у вступників на очистку стоках коливається в значних межах від 50 мг / г до 250 мг / л.

    При аналізі режимів експлуатації установок, що входять в технологічну схему очищення стічних вод підприємства ТЧ-15, були виявлені такі недоліки:

    1. Ефект флотаційного очищення стоків від нафтопродуктів був недостатньо високим внаслідок низького газонасичення (3-4%) водо-повітряною сумішшю, що надходить в камери флотатора з гідропневмобака (сатуратора). Збільшення до 5% відносного об'єму повітря, що надходить в ежектор, призводило до зриву нормального режиму роботи рециркуляційного насоса.

    2. Фільтр з завантаженням з кварцового піску недостатньо ефективно утримував зважені речовини, що призводило до їх проскоку в фільтри з активованим вугіллям і знижувало їх сорбційних-ву ємність.

    3. При регенерації сорбційних фільтрів мав місце винос активованого вугілля разом з відпрацьованим пари і гарячої води (до 0,010,012 м3 з одного фільтра при кожній регенерації).

    Очищені потоки стічних вод за існуючою схемою направляються в системи міської каналізації і, частково, в оборотну систему для використання води на технічні потреби. Як зазначалося вище, основним забруднювачем стічних вод є нафтопродукти. Концентрація нафтопродуктів після процесів адсорбції на активованому вугіллі становить 6,6 мг / л, що значно перевищує нормативний показник скидання в ГК - 0,6 мг / л.

    Таким чином, діюча технологічна схема очищення не дозволяє досягти необхідних нормативів якості очищених вод, що і зумовило необхідність реконструкції вузла доочистки за рахунок використання адсорбера з новим типом завантаження.

    В якості нової завантаження нами запропоновано використовувати цеоліти кліноптілолітового типу Холінского родовища, модифіковані ТЕОС - тетраетоксісіланом (С2H5O) 4Si. Цеоліт, модифіковані ТЕОС, мають гарну адсорбційної здатністю і не поступаються активованого вугілля. Однак модифікація цеоліту

    ТЕОС дозволяє гідрофобізувати його поверхню, тим самим збільшуючи його адсорбционную здатність по відношенню до нафтопродуктів.

    Для обгрунтування можливості підвищення ефективності роботи комплексу очисних споруд необхідно порівняти техніко-експлуатаційні характеристики адсорбційних установок періодичної дії з нерухомим шаром адсорбенту. Як адсорбенти розглянуті активоване вугілля марки БАУ, вже використовується на підприємствах залізничного транспорту, що мають стічні води з високим вмістом нафтопродуктів, і природний цеоліт Холінского родовища, модифікований тетраетоксісіланом (С2Н50) 481, пропонований замість існуючої завантаження.

    Методика розрахунку адсорбера виконувалася відповідно до роботам Ю.І. Дитнерскій, Н.І. Гель-перина [5, 6]. Число адсорберов в установці приймається рівним двом. В одному з апаратів відбувається стадія адсорбції, в той час як в іншому протікають стадії регенерації сорбенту.

    Для розрахунку масообмінних апаратів з нерухомим шаром сорбенту необхідно визначати профілі концентрацій (залежно концентрації з від висоти адсорбера г і безрозмірною концентрації X від висоти адсорбера г при даному часу адсорбції т) і вихідні криві (залежно з від г при даному г). У загальному випадку їх визначення вимагає чисельного рішення системи, що складається з рівняння матеріального балансу, рівняння ізотерми адсорбції і рівнянь, що описують швидкість масопереносу.

    Допущення про нескінченно великій швидкості масопереносу еквівалентно припущенню про рівновагу між фазами в усіх точках апарату. Для адсорбції в разі опуклою рівноважної лінії рівняння матеріального балансу має вигляд:

    з = с- (Х "), X = Хн при г > г1, з = сн, X = Х (сн) при г > г1, (1)

    де параметр определеяется за формулою:

    2 = _ » '|Фя-С' (1д)] __ (2)

    1? [Сп-с \ Хн) + РпаХХ \ Сп) -Хн]

    де СН - початкова концентрація нафтопродуктів мг / л; Х (СН) - концентрація нафтопродуктів в цеолітах; ^ - швидкість рідини в адсорбере; т-час адсорбції, с; е - порозность сферичний; р "ах - насипна щільність, кг / м3;

    Так як з * (Хн) = 0, то

    ,1 = ----- (3)

    ЕСН + Р "а * х (СН)

    В області г1 < г концентрації фаз визначаються співвідношеннями:

    ІРКУТСЬКИЙ державний університет шляхів сполучення

    z (s + р

    dX * dc

    |) = Wr; Х = Х '(с). (4)

    Ізотерма адсорбції нафтопродуктів цеолітом, модифікованим ТЕОС, описується регресійний рівнянням:

    А ТЕОС = 0,0209 + С 1,0163 + t 0,0273, (5) де С - концентрація нафтопродуктів у вихідному модельній системі, мг / л; t - час адсорбції, з.

    Критерії статистичної значущості для рівняння (5): коефіцієнт детермінації R2 = 99,92%; скоригований коефіцієнт детермінації Я2с = 99,90%; критерій Дарбіна-Уотсона DW = 3,13; среднеквадратическая помилка О2 = 0,033; середня абсолютна помилка А = 0,021 мг / г.

    Для автоматизації методики розрахунку адсорбера розроблені блок-схема алгоритму розрахунку і програма, реалізована в інтегрованому середовищі Турбо Паскаль 7.0.

    Блок-схема алгоритму наведена на рис. 1. Розраховані значення зберігаються в текстовому файлі з логічним ім'ям f

    Розрахунок адсорбера проводився для трьох варіантів обсягу стічних вод: V1 = 168 м3 / добу фактичний навантаження; V2 = 234 м3 / добу - усереднена навантаження; V3 = 300 м3 / добу - максимально можливе навантаження на очисні споруди.

    При розрахунку безрозмірних концентрацій С / СН і X / X (CH) по рівняннях Томаса інтеграл ймовірностей визначався методом Сімпсона.

    При перевірці матеріального балансу інтеграли обчислювалися методом правих прямокутників. Результати розрахунків представлені в табл. 1.

    Перевірка збіжності матеріального балансу по нафтопродуктам стадії адсорбції виражається нерівністю:

    Ml - (M2 + M3 + M4) < 10-3, (6)

    де М1 - кількості нафтопродуктів, що надійшли в адсорбер; М2 - кількість нафтопродуктів, поглинених сорбентом; М3 - кількість нафтопродуктів, що йдуть з адсорбера разом з рідкою фазою; М4 - кількість нафтопродуктів, що залишаються в зернистому шарі.

    Кількість нафтопродуктів, що надійшли в адсорбер:

    Ml = wrc-C.H-tad-Sc, (7)

    де wra - робоча швидкість рідини в адсорбере; tad - час адсорбції; Sc - площа поверхні адсорбера.

    Кількість нафтопродуктів, поглинених сорбентом:

    M2 = IZ-pnasc-Sc, (8)

    де IZ - інтеграл за профілем концентрацій нафтопродуктів в адсорбенті.

    Кількість нафтопродуктів, що йдуть з адсорбера разом з рідкою фазою:

    M3 = WK-Sc-CH-IS, (9)

    де IS - інтеграл, обчислений за вихідний кривої адсорбції.

    Кількість нафтопродуктів, що залишаються

    Мал. 1. Блок-схема алгоритму розрахунку адсорбера

    Інформатика, обчислювальна техніка та управління. Приладобудування. Метрологія. Інформаційно-вимірювальні прилади і системи

    ш

    в зернистому шарі:

    М ^ ФО Ж.-Ж. -Л; ^:;,. (Ю)

    де еpsс - порозность сферичний.

    Як видно з табл. 1, коефіцієнти зовнішньої массоотдачи у цеоліту, модифікованого ТЕОС, істотно вище, ніж коефіцієнти внутрішньої массоотдачи, що свідчить про те, що в процесі сорбційної очистки працює зовнішня поверхня сорбенту. Однак значеннями коефіцієнтів внутрішньої массоотдачи не можна знехтувати, так як вони необхідні для подальших розрахунків. За деякими показниками, активоване вугілля марки БАУ володіє кращими характеристиками, ніж цеоліт, модифікований ТЕОС, однак важливою складовою сорбційної процесу є подолання гідравлічного опору шару завантаження, і чим воно менше, тим менше необхідно енергетичних і, як наслідок, економічних витрат

    на здійснення процесу. Гідравлічний опір завантаження з цеоліту, модифікованого ТЕОС, в 27 разів менше, ніж для активи-ронного вугілля, що збільшує адсорбційну здатність шару і допомагає досягти встановлених нормативів якості стічних вод за вмістом нафтопродуктів.

    Результати експериментальних досліджень і розрахунок адсорбера за програмою в інтегрованому середовищі Турбо Паскаль 7.0 довели ефективність вилучення нафтопродуктів з модельних систем, близьких за складом до промислових стічних вод підприємств залізничного транспорту, в порівнянні з існуючою завантаженням з активованого вугілля марки БАУ.

    Для перевірки адекватності розрахунків були проведені експериментальні дослідження на даному підприємстві залізничного

    Таблиця 1

    Результати розрахунків адсорберов із завантаженням з активованого вугілля

    Витрата стічних вод

    168 м3 / добу 234 м3 / добу 300 м3 / добу

    Характеристика активоване цеоліт, мо-діфіціро- активоване цеоліт, модіфіці- активоване цеоліт, модифікованого-

    вугілля марки БАУ ний ТЕОС вугілля марки БАУ рова ТЕОС вугілля марки БАУ ства-ний ТЕОС

    Насипна щільність, кг / м3 550 770 550 770 550 770

    Еквівалентний діаметр 0,5 2,0 0,5 2,0 0,5 2,0

    гранули, мм

    Питома поверхня, м2 / г 750 800 750 800 750 800

    Еквівалентний діаметр 14,5 9,7 14,5 9,7 14,5 9,7

    частинки, нм

    Робоча швидкість, м / с 0,00989 0,00989 0,00114 0,00114 0,00123 0,00123

    Діаметр адсорбера, м 0,5 0,5 0,55 0,55 0,6 0,6

    Порозность сферичний, м3 / м3 0,37534 0,37636 0,37531 0,37624 0,37528 0,37613

    Гідравлічне 62097 2238 83492 3039 96641 35754

    опір, Па

    Висота шару адсорбенту, м 1,3 1,3 1,5 1,5 1,6 1,6

    Критерій Рейнольдса 4,59 18,38 5,29 21,15 5,69 22,79

    Масообмінних 0,12 0,34 0,15 0,37 0,16 0,39

    критерій Нуссельта

    Коефіцієнти зовнішньої 1,78 1,08 1,95 1,18 2,04 1,24

    массоотдачи

    Коефіцієнти внутрішньої мас- 0,0014 0,0101 0,0014 0,0101 0,0014 0,0102

    соотдачі

    Коефіцієнти массопередачи з 0,0007 0,0015 0,0007 0,0017 0,0008 0,0018

    урахуванням поздовжнього

    перемішування

    Об'ємні коефіцієнти 5,01 2,73 5,47 3,15 5,71 3,4

    массопередачи

    Загальні числа одиниць переносу 658 359 721 416 745 444

    ІРКУТСЬКИЙ державний університет шляхів сполучення

    транспорту, які показали, що використання модифікованих цеолітів в якості завантаження дозволяє збільшити ступінь очищення від нафтопродуктів до 99% [7].

    На підставі всього викладеного, нами пропонується часткова реконструкція існуючої технологічної схеми, яка з конструктивної точки зору представляється найбільш доцільною. Пропонований фільтр з завантаженням з цеоліту кліноптілолітового типу, модифікованого ТЕОС, необхідно встановити після стадії флотації замість існуючих: фільтра з завантаженням з кварцового піску, фільтра з завантаженням з активованого вугілля.

    Таке рішення дозволить інтенсифікувати процес очищення стічних вод від високих змістів нафтопродуктів і зважених речовин і отримати необхідний ступінь очищення стічних вод, що, в кінцевому підсумку, повністю виключить платежі підприємства за перевищення меж встановлених лімітів на скид стічних вод і значно поліпшить показники природоохоронної діяльності локомотивного депо.

    Слід особливо відзначити, що технологічний процес знешкодження нафтовмісних стічних вод є дуже складним і, крім розгляду завдань оптимізації очищення забруднених потоків, вимагає розгляду технологічних прийомів, спрямованих на знешкодження всіх утворюються побічних продуктів і відходів.

    По завершенні процесу доочищення і стадій регенерації холостий (відмитий) адсорбент - цеоліт може бути утилізований в технологіях виробництва дорожніх покриттів з урахуванням специфічних властивостей реагентів - модифікаторів або в якості добавки в бітумні теплоізоляційні маси.

    СПИСОК

    1. Аренс В. Ж, Грідін О. М, Яншин А. Л. Нафтові забруднення: як вирішити проблему // Екологія та охорона навколишнього середовища. Тематичні. добірка НОП 5 (175) ТП-40. 2002. Вип. 7. С. 28-31.

    2. Алфьорова Л. А. Замкнені системи водного господарства промислових підприємств, комплексів та районів М.: Стройиздат, 1984. 272 ​​с.

    3. Вознесенський В. Н., Лядов В. В., Куліш А. В. Локальні очисні споруди з нефтеулав-Ліван пристроями // Екологія та охорона навколишнього середовища. Тематичні. добірка НОП 5 (175). ТП-40. 2002. Вип. 7. С. 33-35.

    4. Залізничний транспорт, серія Екологія та залізничний транспорт // Експрес інформація // М.: ЦНІЇТЕІ. 2001. №1. С. 1-11.

    5. Дитнерскій Ю. І. Процеси і апарати хімічної технології: навч. для вузів: в 2-х кн. Ч. 2.: Масообмінні процеси і апарати. М.: Хімія, 1995. 368 с.

    6. Гельперин Н. І. Основні процеси і апарати хімічної технології: в 2-х кн. М.: Хімія, 1981. 812 с.

    7. Обуздіна М. В., Руш Е. А. Методи інтенсифікації процесів очищення нафтовмісних стічних вод підприємств залізничного транспорту // Транспортна інфраструктура Сибірського регіону: матеріали другої межвуз. наук.-практ. конф., Іркутськ, 16-18 травня 2011р. Іркутськ, 2011. Т. 1. С. 106-111


    Ключові слова: АВТОМАТИЗАЦІЯ /AUTOMATIZATION /СОРБЦІЯ /SORPTION /АЛГОРИТМ /ALGORITHM /Цеоліт /НАФТОПРОДУКТИ /OIL PRODUCTS /ZEOLITS

    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити