МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССОВ НЕЙТРАЛИЗАЦИИ
Хуррамов Мухтор Гулович, к. т.н. доцент, «Профессионального образования» Каршинского Государственного Университета
асс. преподаватель Каршинского инженерно-экономического института
Современное состояние промышленности и экологическая ситуация в мире требует развития нового подхода: правильной выбор наилучших, увеличение единичной мощности и обеспечение эффективного управления процесса нейтрализации очистка сточных вод (ОСВ).
Анализ литературных источников по математическому моделированию процесса нейтрализации отходящих газов с использованием щелочных сточных вод показал, что в настоящее время отсутствует методы моделирования технологического процесса нейтрализации для целей оптимального управления и оперативного расчёта основных физико-химических характеристик агрессивных компонентов.
При решении проблем, связанных с созданием промышленных процессов нейтрализация, основываются на количественном предсказании проведения процесса в условиях реализации. Это предсказание осуществляется путем моделирования-исследования процесса нейтрализация на его модели. С помощью моделирования решаются следующие проблемы:
1) Исследование возможности и способов реализации процесса в промышленных условиях;
2) Оптимизация или выбор наилучшего варианта реализации процесса в промышленных масштабах;
Первая проблема требует последовательного решения следующих задач:
- масштабирование нейтрализаторы предсказание поведение процесса в различных размеров;
- исследование устойчивости процесса в нейтрализаторе;
- исследование возможности управления нейтрализаторов;
Вторая проблема требует решения следующих задач:
- формулирование критериев оптимизации;
- формулирование ограничений в реализации процесса;
- исследование вариантов реализации процесса и выбор наилучшего варианта в соответствии с критериями оптимизации и ограничениями.
Одним из основных достоинства применения математического моделирования при разработке процессов является возможность осуществления оптимизации. Позволяет рассчитать различные варианты процесса и дает возможность выбрать наилучший по какому-либо критерию вариант.
Нами разработана новая конструкция утилизации отходящих газов (ОГ) с использованием щелочных сточных вод (ЩСВ). По нашей технологии ЩСВ из цехов прямо поступают в нейтрализатор, который состоит из пяти частей разделенной перегородками. Нижние части каждого автономно наклон против движения стоков, имеется карман. Угол наклона нижней части создают благоприятные условия осаждения примесей. При помощи центробежный вентилятором ОГ подаются внутрь нейтрализатора, который полно до рабочий уровне с ЩСВ. Смесь самотеком перемешается на всем протяжение в нейтрализаторе. Благодаря большой поверхности контакта между водой и ОГ происходит быстрая нейтрализация сточной воды. Присутствие в газах SO2 способствует нейтрализации ЩСВ. Происходит равномерное смешение и полное утилизации. При нейтрализации происходит взаимодействие между газом и раствором, в котором содержится вещество, реагирующее с этим газом. Применение для моделирования аналоговых машин основано на принципе аналогии, согласно которому возможно моделирование по аналогии дифференциальных уравнений, относящихся к явлениям разного класса. Принцип аналогии с давних пор использовался в экспериментальных исследованиях без применения вычислительных машин. Кинематическое подобие между двумя системами различных размеров существует при условии их геометрического подобия и при условии, что отношения скоростей в сходственных точках одни и те же.
Между двумя системами существует динамическое подобие, когда в дополнение к геометрическому и кинематическому подобию отношения сил, приложенных в сходственных точках, равны. Условия подобия приводят к уравнению вида.
Q = f (R, S……) (1)
где безразмерных комплекс Q является функцией других безразмерных комплексов R, S и т. д. Это уравнение можно получить для частных случаев методом анализа размерностей.
Часто невозможно достигнуть динамического подобия между маломасштабным и крупномасштабным оборудованием. В этом случае результаты, полученные при использовании маломасштабного оборудования, необходимо экстраполировать для динамически неподобных условий работы крупномасштабного оборудования.
Для экстраполяции можно использовать уравнения «расширенного принципа подобия».
Q = C Rx Sy …. (2)
где безразмерной комплекс Q пропорционален безразмерному комплексу R в степени х, безразмерному комплексу S в степени у и т. д.
Константа С зависит от геометрии системы и определяется конструкции нейтрализатора. В такой форме записывают уравнение скорости передачи тепла, массы и движения. Эти уравнения формируют методом анализа размерностей, но константы определяют эмпирически.
Когда концентрации растворенного газа мала, а температура и давление далеки от критических значений, равновесие в системах
газ-жидкость определяется законом Генри:
рi =Hixi или yi*=(Hi/P) xi=K xi (3)
где рi-парциальное давление i-компонента в газах при равновесии;
Hi-константа Генри i-компонента, имеющая размерность давления;
xi-молярная доля i-компонента в жидкости;
yi*- молярная доля i-компонента в газовой фазе при равновесии;
Р - общее давление; К=Hi/P безразмерная константа.
Константа Генри увеличивается с ростом температуры, причем соблюдается соотношение
dln Hi/d(1/T)=ΔH/R (4)
где R-универсальная газовая постоянная; Т-температура; ΔH-теплота нейтрализации;
Когда отходящие гази вступает с компонентами щелочных сточных воды в химическую реакцию, закон Генри следует применять не к общей концентрации растворенного газа, а к концентрации не реагировавшего газа.
Скорость химической реакции нейтрализации [в кмоль·м-3·с-1]
(5)
где v-объем реагирующих веществ, м3; М-количества веществ, участвующего в реакции, кмоль; τ-время реакции, с;
При v-const;
(6)
где С-концентрация вещества, участвующего в реакции, кмоль· м-3;
Скорость химической реакции нейтрализации очень высока и кинетика этого процесса в основном определяется коэффициентами макротурбулентной диффузии, которые зависят от гидродинамических условий смешения фаз. Протекает в «смешанной» области определяется как гидродинамическими, так и кинетическими факторами. Кинетическое уравнение химической реакции нейтрализации:
С1n1С2n2……. Сini (7)
где k - константа скорости реакции; n1, n2 ……..ni порядки реакций по соответствующим реагирующим веществам;
С1, С2,…… Сi - концентрации веществ, участвующего в реакции.
Общий порядок реакции:
n = n1 + n2 +… +ni (8)
При разработке технологического моделирование процесса нейтрализации а также рассматривается:
-нейтрализатор как объект с сосредоточенными параметрами;
-химические реакции протекают мгновенно и являются необратимыми;
-кинетика реакции определяется температурой смешение щелочных сточных вод дымовыми газами, давления подачи и температура составов;
-процессы масса обмена;
- режим течения.
Они дают возможность производить полный расчет конструкции при их проектировании и анализировать, а также определяют условия технологического моделирования.
Рассматриваемый объект управления относится к классу нестационарных объектов с неполной информацией. Отсюда следует, что математическая модель стадии нейтрализации должна быть адаптивной.
Исследование процессов нейтрализации в сопровождении химической реакции в нейтрализаторах с учетом влияния явлений, происходящих как на микро, так и макро уровнях, возможно лишь с помощью метода математического моделирования с использованием современных средств вычислительной техники. Моделирование процессов управления нейтрализаторами показывает необходимость учета динамических свойств объекта управления. Процесс нейтрализации обладает существенной инерционностью, то есть изменение расхода кислого газа, сточная вода приводит к изменению параметров на выходе из нейтрализатора только через некоторое время. Отсутствие компенсации инерционности приводит к ухудшению качества регулирования. Существующие в настоящее время цифровые системы регулирования позволяют применять сложные алгоритмы управления, которые позволяют исключить влияние инерционных свойств объекта управления на качество регулирования. Переход к исследованию совмещенных процессов является следствием развития метода математического моделирования, способствовавшего пониманию сложных явлений. Совместное протекание нескольких процессов не является чем-то исключительным в промышленных условиях и обычно известно. Но, как правило, один из них превалирует по скорости, интенсивности и прочим показателям над другим, как бы протекая на фоне другого.
С развитием новых информационных технологий появилась возможность создания систем удаленного контроля и управления технологическими процессами. С появление таких средств, в целях модернизации систем автоматизации дает возможность создания локальной системы автоматизации нейтрализатора с удаленным доступом сбора и контроля данных и управления процессом нейтрализации. Система автоматизации процесса нейтрализации ЩСВ ОГ осуществляет контроль: pH, концентрации газов и ЩСВ, отношение объемных расходов, состав, степень насыщения и. т. другие.
Режим работы нейтрализатора контролируется путем измерения технологических параметров и также при помощи вторичных приборов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Хуррамов очистка сточных вод, в климатических условиях Узбекистана с целью повторного использования.- Карши: КарДУ, 2012.- С.184.
Сведение об автора
Хуррамов Мухтор Гулович
телефон: +99-891-210-90-18
адрес электронный почты
номер секции: 7
180003, Республика Узбекистан. г. Карши ул. Каршинский Государственный Университет
