автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.01, диссертация на тему:Моделирование и разработка процесса получения сульфата алюминия-коагулянта для водоочистки на ленточном кристаллизаторе

На правах рукописи

Гетманцев Виктор Степанович

Моделирование и разработка процесса получения сульфата алюминия -коагулянта для водоочистки на ленточном кристаллизаторе

05.17.01 - Технология неорганических веществ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва -2009

003464507

Работа выполнена в Российском химико-технологическом университете имени Д.И. Менделеева

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Бесков Владимир Сергеевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Кольцова Э.М.

кандидат технических наук Новиков Э.А.

Ведущая организация: Московский государственный университет

инженерной экологии

Защита состоится «8» апреля 2009 г. в -/О час на заседании диссертационного совета Д 212.204.05 в РХТУ им. Д. И. Менделеева (125047 г. Москва, Миусская пл., д. 9) в конференц-зале.

С диссертацией можно ознакомиться в Информационно-библиотечном центре РХТУ имени Д.И. Менделеева.

Автореферат диссертации разослан « марта 2009 г.

Ученый секретарь /

диссертационного совета // </ л

Д 212.204.05 ,1/-^ ^' Алехина М.Б.

Актуальность работы. Одним из важнейших факторов национальной безопасности любой страны является обеспечение населения питьевой водой. Питьевая вода -необходимый элемент жизнеобеспечения населения, от ее качества, количества и бесперебойной подачи зависят состояние здоровья людей, уровень их санитарно-эпидемиологического благополучия, степень благоустройства жилищного фонда и городской среды, стабильность работы коммунально-бытовой сферы. Также от качества воды зависит уровень развития технологий энергетики и промышленности.

В России около 90% поверхностной и не менее 30% подземной воды подвергается обработке с удалением избыточных примесей. Основным технологическим приемом удаления из воды грубодисперсных примесей, находящихся во взвешенном состоянии, и коллоидных органических загрязнений, присутствующих в воде в растворенном виде, является процесс коагуляции за счет введения в воду коагулянтов.

Основным коагулянтом, используемым в России, является сульфат алюминий. Однако до последнего времени он производился не высокого качества и в неудовлетворительной товарной форме. В условиях развития технологий водоочистки, применения новых реагентов для обеззараживания воды и наметившийся переход на мембранные технологии очистки воды требуется полная автоматизация всех этапов многоступенчатого процесса водоподготовки. Для этого необходимо иметь удобный в использовании (дозировании) реагент - коагулянт. Производимый сульфат алюминий второго и первого сорта, характеризуется нестабильным, разнородным гранулометрическим составом. Поэтому создание производства сульфата алюминия высшего сорта со стабильным гранулометрическим составом для использования в системах автоматического «сухого» или, в крайнем случае, «мокрого» дозирования является весьма актуальной задачей. Эта задача распространяется не только на процессы водоподготовки, но и на технологические процесса в производствах бумаги, картона, на процессы физико-химической очистки сточных производственных вод различных отраслей промышленности и сельского хозяйства.

Цель работы - разработка и выдача технологических параметров для проектирования процесса формования коагулянта - сульфата алюминия на движущейся стальной ленте с использованием разработанных физико-химических и динамических моделей путем последовательного решения методологических, научно-прикладных и технологических задач. Единой методической основой проведения исследований является математическое моделирование.

Научная новизна

г л

С использованием математического моделирования впервые обоснован процесс \

\ C)J \

формования коагулянта на движущейся стальной ленте с получением сульфата алюминия стабильного регулярного гранулометрического состава для дальнейшего его использования в системах автоматизированного дозирования реагентов.

При этом:

• предложен метод описания процесса кристаллизации расплава коагулянта на ленточном кристаллизаторе. Разработан метод расчета сушки пасты на движущейся ленте;

• предложен метод расчета на ЭВМ процесса охлаждения пасты на ленточном кристаллизаторе. Плоский слой пасты охлаждается, и с двух сторон протекает послойная кристаллизация пасты. Для построения алгоритма использован сеточный метод с переменной неравномерной сеткой, отслеживающий продвижение фронтов кристаллизации;

• на основе анализа математической модели проведен технико-экономический анализ процессов получения коагулянта и показана экономическая эффективность получения продукта на стальном ленточном кристаллизаторе в виде гранул, показано, что экономический эффект достигается у потребителей продукта.

Практическая ценность работы состоит в следующем:

• разработаны математические модели и предложен метод расчета процесса кристаллизации коагулянта на ленточном кристаллизаторе в виде рабочего места технолога для проведения инженерных расчетов;

• предложена новая технология производства коагулянта для водоочистки, обеспечивающая получение гранул продукта высшего сорта различного размера стабильного дисперсного состава для удовлетворения различных групп потребителей;

• определены оптимальные параметры проведения процесса формования коагулянта - сульфат алюминия, выданы проектной организации технологические параметры проведения процесса формования для заданной производительности процесса.

Апробацпя работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на VIII международной научно-практической конференции «Химия XXI век: новые технологии, новые продукты» (г. Кемерово, 2005 г.) и на Всероссийской научно-технической конференции «Наукоемкие технологии XXI века» (г. Владимир, 2006 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 печатных работ, из них 4

публикации в изданиях, рекомендуемых ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы и приложения. Работа изложена на 123 страницах машинописного текста, включая 5 таблиц и 45 рисунков. Список литературы содержит 68 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель работы, указана ее научная новизна и практическая ценность.

В первой главе описаны технологические схемы по производству сульфата алюминия. Показаны недостатки и достоинства этих схем. Проанализирована патентная литература. Выявлена тенденция в повышении качества сульфата алюминия, выпускаемого на новых установках. Сделан вывод о необходимости создания эффективного, экономичного и технологичного процесса кристаллизации сульфата алюминия, позволяющего регулировать размеры продукта в соответствии с требованиями потребителя. Рассмотрен вопрос очистки воды коагулянтами от коллоидно-взвешенных веществ. Проведен анализ литературных данных связанных с процессами кристаллизации. Особое внимание уделено кристаллизации расплавов.

Во второй глазе приводится описание технологической схемы производства сульфата алюминия рис. 1, которая предлагается к внедрению на ОАО «Аурат» (Москва).

Паста (п.1ав)

Ото^^ристаллизующсйся пасты

7--у' Продукт

Л'":;^пТСЯ ^Охлаждающая

Рис.1. Схема ленточного кристаллизатора Сульфат алюминия образуется в реакторе при взаимодействии водного раствора гидроокиси алюминия и концентрированной серной кислоты по реакции:

2А1(ОН)3 + ЗН28 04 + аЧ = А12(804)з ■ пН20 + ая (1)

Из бункера паста выдавливается по всей ширине движущейся ленты в виде слоя, толщиной около 1 см. Температура поступающей пасты ~110°С. Паста охлаждается с двух сторон: сверху - за счет теплообмена с окружающей средой и уноса испаряющейся влаги; снизу - через ленту транспортера орошающей его водой. Закристаллизовавшийся и охлажденный продукт поступает на его дальнейшую подготовку к товарному виду.

V

Испарение влаги и ее удаление представляет собой поток тепла, отводимый из охлаждаемой пасты. Поэтому вначале мы рассмотрели сушку увлажненной пасты.

Схему процесса можно представить следующим образом. Испарение происходит не по всему объему влажного материала, а фронтально, т.е. паста на ленте имеет двухслойную структуру - условно разделен на сухую и влажную части, и в каждый момент времени имеется граница материала «сухой-влажный», испарение и удаление влаги происходит с этой границы (рис. 2).

транши

"сухой-влажный" /

влажная паста

орошагощая вода

Рис. 2. Схема процесса и распределение температуры по сечению ленточного

кристаллизатора: Тв - температура окружающего воздуха; Тд - температура ленты; Тх - температура охлаждающей воды

Для построения математической модели процесса привязываем пространственную координату к движению ленты и рассматриваем процесс как нестационарный. Поток отводимой влаги определяет количество испаряемой влаги и, соответственно, смещение границы «сухой-влажный» (2).

¿С - ¿о (¡х Г

(2)

Изменение температуры в слое происходит согласно уравнению нестационарной теплопроводности (3) с граничным условием (4). Значения параметров этого уравнения различаются для сухой и влажной части, сухой слой / = 0-/с

81 ' Ср\ ' 812 Граничные условия:

влажный слои

/ = /с-Х

8%

а ~~ сР2 а/2

при I = О

Тв)

при I = /с:

Г, = Г2; Л

8 Г, 81

при I = Ь

Л!~ = «г(Зг„-Гпг) 01

, ЗГ2 ■ г 81 •

(3)

(4)

(5)

Особенность процесса - наличие подвижной границы «сухой-влажный». Непрерывный поток отводимого тепла дополняется источником тепла на границе «сухой-влажный». Этим источником является теплота испарения. Поэтому условие на подвижной границе представлено (5).

Математическая модель сушки - система дифференциальных уравнений 1-го и 2-го порядка в обыкновенных и частных производных с граничными условиями на разных границах и на переменной границе внутри слоя. Сначала решаются уравнения в обыкновенных производных. Эти уравнения имеют аналитическое решение на временном шаге Д(. После этого определим изменение температуры в слое пасты. Уравнения в частных производных решаем сеточным методом с меняющимся шагом сетки у границы «сухой-влажный». Схема сетки показана на рис. 3.

Хс

;

1 '

;

г- п г^ п

•а.

О IX

О X

Рис. 3. Схема вычислительной сетки

В алгоритме метода дифференциальные уравнения заменяются системой алгебраических уравнений (6).

Д-Гж-ад + С,Г,-1=Ф/, (6)

В алгоритме используются, так называемые прогоночные коэффициенты, которые обычно определяются по направлению координат. Учитывая граничные условия внутри слоя, были получены коэффициенты для прогонки в направлении противоположном координате.

Когда какой-либо слой пасты осушится полиостью появится граница «сухой-влажный» и врезается дополнительный узел рис. 3, его положение будет меняться (пунктирные линии) по мере последовательной сушки образца, сетка становится с переменным шагом. Были получены коэффициенты в алгоритме сеточного метода. Разработанный алгоритм реализован в программе на языке «(ЗВазЛе».

Был проведен анализ влияния параметров математической модели на протекание процесса сушки плава сульфата алюминия. Из анализа численных результатов сделан вывод,

что унос влаги можно представить, как дополнительный к теплопроводности поток тепла из материала, и поэтому в дальнейшем мы использовали этот эффект в виде эффективного коэффициента теплопроводности.

Надежность результатов численного анализа процесса зависит от достоверности параметров математической модели. В литературе отсутствуют данные по коэффициенту теплопроводности X для кристаллогидрата сульфата алюминия. Поэтому значение X было определено экспериментально. Образцы были приготовлены в виде цилиндров на ОАО «Аурат» непосредственно из плава, направлявшегося на кристаллизацию. В образец были вмонтированы термопары (рис. 4). Боковые поверхности образца были изолированы асбестом, чтобы предотвратить потери тепла. Образец нагревали, а затем при охлаждении

1-4 - термопары; 5 - образец сульфата алюминия, 6 - слой асбеста

Для обработки результатов измерения была использована разработанная программа. В эксперименте определяли значение X и коэффициент теплоотдачи от поверхности в неподвижный воздух. Значения X и а подбирали до совпадение расчетного и измеренного изменений температуры внутри образца и на его поверхности. В самом начале процесс охлаждения стационируется после того, как образец был вынут из муфельной печи, и поэтому начало расчета и начальное распределение температуры принимали через 30 мин после начала измерений. Лучший результат дали значения X = 1 ккал/(м-час-град) и а = 13 ккал/(м2-час-град). Эти данные практически совпадают с рассчитанными по литературным данным коэффициентами а для аналогичных условий и значениям X для подобных твердых материалов.

Кроме описанного эксперимента, были использованы данные фирмы ЗапсЫк по кристаллизации плава на промышленном ленточном кристаллизаторе. Была известна только температура попадающего на ленту плава, примерная температура закристаллизованного продукта на выходе с ленты и время завершения процесса - время нахождения вещества на

ленте. При полученных значениях X и а кристаллизация идет медленнее.

Расхождение с расчетом и промышленными данными фирмы объясняется следующим. Плав, попадающий на ленту, содержит до 10% избыточной влаги. Испаряющаяся влага создает дополнительный эффект охлаждения. Внутри пасты эта вода испаряется п отводится из объема слоя материала к его поверхности, создавая дополнительный к теплопроводности перенос тепла по слою твердого материала. Это явление можно характеризовать эффективным коэффициентом теплопроводности твердого материала. Получены эффективные параметры теплопереноса: = 5 ккал/(м-час-град) и коэффициента теплоотдачи а^ф = 30 ккал/(м2-час-град).

В третьей главе рассматривается процесс кристаллизации плава сульфата алюминия в виде сплошного слоя и в виде гранул.

Схема процесса представлена на рис. 5. В начале процесса плав - однородная среда I. Через некоторое время начинается кристаллизация с двух сторон, и материал будет иметь структуру II. Когда плав полностью закристаллизуется, происходит охлаждение однородного твердого материала.

Воздух

Граница кристллтацпи

'■■У Плав \\ л. Плав ..-

^РТ

Охлаждающая вода

I II

а

Рис. 5. Структура слоя охлаждаемой пасты (а) и распределение температуры Г по его сечению / (б): I - до начала кристаллизации; II - при частичной кристаллизации плава

В начале, когда паста - однородный слой жидкого плава (I рис. 5), охлаждение описывается нестационарным уравнением теплопроводности (7) с начальными (8) и граничными (9)-(Ю) условиями.

_ дТ_ д2Т

начальные условия: граничные условия:

на верхней поверхности слоя при / = 0 X

при< = 0 Т=Тц, дТ

д1

= а1(7,-Гв),

(7)

(8)

(9)

на нижней поверхности слоя при 1 = Ь X —— = а 2 (Тх —Т),

Ы

(10)

После начала кристаллизации, изменение температуры в каждой зоне будет описываться уравнениями теплопроводности вида (7), но с соответствующими значениями X для каждой зоны. Скорость кристаллизации, происходящей при температуре Гкр, определяется скоростью отвода выделяющегося тепла из зоны кристаллизации. И, соответственно, этим выражена скорость продвижения фронта кристаллизации (11)-(12). для зоны кристаллизации в сечении /кр 1:

0

¿1

кр1

кр

ы

+х

'кр1+0

для зоны кристаллизации в сечении /крг:

Д

бкр

дТ_ Ы

т = т ' 1 11

кр

!кр1-0

'кР2

л

д1

кр2-0

, дТ

+ 1— д1

Т = Т,

кр

(И)

(12)

кр2+0

Система уравнений - это дифференциальные уравнения 2-го порядка с граничным условием на поверхности слоя и двумя внутренними границами в зонах кристаллизации.

. ; ч г эанни аоаз яеля ( аз ¿71-; б

-.1

■•'1 1

2 ? 1 1 ¡1;

к 4,1 в

к+1 к

V'

а

1-1 » /+1

Рис. 6. Схема вычислительной сетки расчета процесса охлаждения плава (а); охлаждения и кристаллизации плава (Затемнена область закристаллизованного продукта) (б); в -к определению начальной границы кристаллизации

Алгоритм во многом похож на представленный алгоритм сушки. Схема вычислительного процесса показана на рис.6. Особенностью здесь является то, что кристаллизация начинается с момента снижения температуры плава до Гкр. Кристаллизация

начинается с одной стороны, а затем идет с двух сторон. Поэтому алгоритм - сеточный метод с переменной сеткой (за счет врезанных дополнительных узлов), т.е. имеем 3-х зонную область с соответствующими граничными условиями. Последовательность расчета такая (рис. 7). На каждом шаге по времени сеточным методом определяется изменение температуры, затем - сдвиг зон кристаллизации. Для них получены соответствующие расчетные схемы с их параметрами.

Рис. 7. Схема вычислительной сетки расчета процесса кристаллизации плава и последовательность вычислений (стрелки); I, III - области закристаллизованного продукта; II - область плава

Паста распределяется на ленте сплошным слоем и продукт после ленточного кристаллизатора размалывается и отгружается потребителю в виде пластинок. Более мелкие частицы и пыль отсеиваются и возвращаются как ретур. Целесообразно кристаллизовать плав непосредственно в виде гранул одинакового размера. Для этого паста из автоклава выдавливается на ленту в виде капель через систему фильер и получается сразу товарный продукт однородного фракционного состава пригодный для автоматических систем дозирования коагулянта у потребителей.

Рис. 8. Схема гранулы полусферической формы (а), вычислительная сетка сферической системы координат (6) и схема расчета вблизи начала координат (в)

Каплю плава, попавшего на ленту, представим в виде полушара (Ь на рис. 8), сферическая поверхность которого охлаждается воздухом, а нижняя плоскость разреза -через стальную ленту а водой. Соответственно, будут различаться условия охлаждения для этих поверхностей.

Используем сферическую систему координат; г - координата по радиусу, а -координата по углу. Поскольку процесс симметричен относительно вертикальной плоскости

с на рис. о, проходящей через центр координат, математическую модель строим для четверти шара.

В начале, когда паста - однородный слой жидкого плава, охлаждение описывается нестационарным уравнением теплопроводности (13).

дТ - з С п — — л

р д1

\

(ГГ | 2 дТ 2 г дг

)

дг

начальные условия:

Я д2Т

+ ~2' 2 г да2

краевые условия:

(13)

при / = О Т- Те, (14) дТ

на сферической поверхности при г = Я-= кв (Т — Т I, (15)

Аг V в '

на нижней поверхности

приа = я/2 -—=кх(Т-Тх), (16) г да

в центре координат

при г = О Л—= *Х(Г-Г), (17) дТ

на плоскости симметрии при а= 0 -= 0, (18)

да

Скорость кристаллизации, происходящей при температуре Ткр, определяется скоростью отвода выделяющегося тепла из зоны кристаллизации - уравнениями (19) и (20). продвижение фронта кристаллизации Гщ, по координате г.

дТ

О

гКр+ 0

дг

гкр~°

продвижение фронта кристаллизации акр по координате а:

Аа

_ кр Я дТ

Якряг~^г=--

с]/ лг да

акр+0

лг да

(19)

(20)

акр- 0

При протекании кристаллизации, появляются внутренние граничные условия (21) уравнения (13).

при х = хкр и у = укр: Т = Гкр. (21)

Когда кристаллизация закончилась, дальнейшее охлаждение твердой гранулы описывается уравнением (13). Математическая модель - это дифференциальное уравнение с двумя пространственными координатами с краевыми и внутренними граничными условиями.

Был использован метод переменных направлений. Решение двумерной задачи (13) сводится к последовательности решения одномерных задач. На полушаге решается первое одномерное уравнение, на втором полушаге - второе одномерное уравнение. Алгоритм

решения каждого из них аналогичен предыдущей задаче. Учитывается продвижение границ кристаллизации по каждой координате, но необходимо учитывать и перекрывание этих границ.

Особенность разработанного алгоритма. В узле г = 0, где все узлы сетки сосредоточены в одной точке, построить вычислительную схему невозможно. Этот «вычислительный казус» можно обойти следующим образом. Границу области вычислений вблизи г = 0 представим в виде небольшой сферы радиуса щ (рис. 8в). Поток тепла по координате г из гранулы через поверхность этой сферы будет равен потоку тепла, отводимому через ленту к воде (22). Значение го (как и размер сетки) выбираются из условий точности расчета.

зт

при г = го А— = кх(Т-Т )■ Sina • Cosa, (22)

дг ^ х'

Алгоритмы, разработанные в третьей главе, реализованы в программе па языке Visual Basic в виде рабочего места технолога для проведения инженерных расчетов. На рис.9 и рис.10 представлены два отображения экрана работы программы - окно ввода исходных данных и окно результатов расчета.

Рис. 9. Окно ввода исходных данных Рис. 10. Окно просмотра результатов расчета

Рис. 11. Изменение во времени фронта кристаллизации плава коагулянта. Цифры у линий фронта кристаллизации - время охлаждения в секундах

Расчет продвижения фронта кристаллизации показан на рис. 11. Кристаллизация начинается с внешней кромки капли, затем - от "подошвы", где охлаждение от ленты,

орошаемой водой, более интенсивное, после чего начинается кристаллизация от сферической поверхности воздухом. Заканчивается кристаллизация внутри капли на глубине примерно одной четверти радиуса от вершины капли (для данных условий).

Четвертая глава посвящена промышленному процессу с использованием данных полученных по математической модели. Рассчитано время кристаллизации и охлаждения коагулянта на стальной ленте для сплошного слоя и гранул, причем гранулы остывают почти вдвое быстрее, чем слой (68 и 120 сек соответственно). Изучено влияние толщины коагулянта на скорость протекания технологического процесса. Уменьшение толщины до 8 мм, т.е. на 20% ускоряет технологический процесс для сплошного слоя коагулянта на 28 сек., т.е. на 22,5%, а для гранул на 17 сек., т.е. на 25%. Также проанализировано влияние охлаждающей воды на технологический процесс.

Расчеты показали, что на единице поверхности ленты кристаллизатора количество продукта в виде слоя может находиться в 3 раза больше, чем гранул. Производительность установки по получению сплошного слоя коагулянта составляет 12,0 тн/час, а установки по получению однородных гранул - 7,5 тн/час. То есть производительность ленты при получении продукта в виде слоя на 60% больше, чем для продукта в виде гранул.

Рассмотрены изменения требований к качеству сульфата алюминия, отраженные в нормативной документации. Произведены расчеты затрат на перевозку ж/д транспортом продукта высшего сорта (гранулы), первого сорта (сплошной слой) и второго сорта (куски со стола-кристаллизатора). Перевозка коагулянта первого сорта по сравнению с высшим сортом дороже на 10,9%, а второго сорта - дороже на 30,7%.

Главным преимуществом гранулированного сульфата алюминия является возможность его «сухого» дозирования в технологические процессы. В настоящее время на ряде водоочистительных станциях начали применять автоматические дозирующие устройства щелевого типа. Для использования этих дозаторов необходимо применение реагентов, обладающих определенным фракционным составом.

Организация хранения коагулянта в жидком виде предполагает наличие больших площадей, необходимых для размещения емкостей для «мокрого» хранения. Кроме того, насыщенный раствор коагулянта обладает кислотными свойствами, что приводит к необходимости периодического вывода баков «мокрого» хранения в ремонт и обработки их стенок антикоррозийным покрытием. К тому же, длительное нахождение раствора в состоянии насыщения ведет к потере его химических свойств - старению. В результате увеличивается расход коагулянта на приготовление осветленной воды.

Применение «сухого» дозирования коагулянта позволяет устранить недостатки

свойственные «мокрому» хранению. Существенным преимуществом «сухого» дозирования являются компактность установки и простая схема автоматизации процесса. Так использование гранулированного сульфата алюминия в типовой водоочистительной станции на 100 тыс. куб. м/сутки питьевой воды позволяет отказаться от 4 железобетонных баков «мокрого» хранения по 200-250 м3 и 4 затворных баков по 30 м3. Переход на «сухое» дозирование позволяет в 1,5 раза уменьшить площадь и в 2,6 раза - объем здания.

Проведено сравнение способов получения кристаллического сульфата алюминия (табл. 1). При производстве продукта высшего и первого сортов требуется значительно больше электроэнергии, чем при производстве сульфата алюминия второго сорта. Но по потребительским свойствам продукт второго сорта существенно проигрывает и станции водоочистки вынуждены расходовать дополнительную энергию на дробление и растворение

массивных кусков.

Таблица 1

Сравнение способа производства коагулянта

Способ производства коагулянта Сорт сульфата алюминия по ГОСТ 12966-85 Внешний вид Ретур Энергозатраты на производство коагулянта, кВт/тн

Барабан-сушилка Высший Однородные гранулы размером 5-20 мм 75-80% 25,7

Стальная лента (гранулы) Высший Однородные гранулы размером 10-20 мм Отсутствует 18,5

Стальная лепта (сплошной слой) Первый Пластинки неопределенной формы с размером 520 мм 5% 12,2

Стол- кристаллизатор Второй Куски неопределенной формы и разного размера массой не более 10 кг 5-10% 4,9

Если сравнивать между собой способы производства коагулянта высшего сорта, как продукта удовлетворяющего требованиям современных автоматизированных станций водоочистки, то здесь можно выделить ряд преимуществ технологии производства на стальной ленте: полное отсутствие ретура; возможность регулировать размер гранул продукта под определенную группу потребителей; уменьшить энергозатраты.

Производить коагулянт на стальной ленте в виде пластинок энергетически более выгодно, чем в виде гранул. Однако, у этой технологии есть и свои недостатки - наличие

ретура и невозможность регулировать размер продукта под определенную группу потребителей в виду неоднородности фракционного состава пластинок.

ВЫВОДЫ

1. Проведен анализ получения и применения коагулянтов для очистки воды от коллоидных частиц и выбран объект исследований формования товарного коагулянта -Al2(S04)3' I8H2O на ленточном кристаллизаторе.

2. Разработаны математические модели процесса кристаллизации и охлаждения на ленточном кристаллизаторе коагулянта для водоочистки на основе сульфата алюминия на стальной ленте. Модели построены для получения продукта, как в виде сплошного слоя, так и в виде гранул при условии фронтального испарения влаги и фронтальной кристаллизации плава с подвижной границей этих процессов.

3. Из литературных данных определены и оценены параметры математической модели. Значение теплопроводности готового продукта-коагулянта определено экспериментально.

4. Разработан алгоритм решения полученных систем уравнений математической модели процесса с использованием неявной сеточной схемы с подвижными узлами. Для решения сеточных уравнений, описывающих процесс в виде сплошного слоя, использован метод прогонки, выведены коэффициенты для прогонки с разных границ и переменной внутренней границей кристаллизации. Для решения сеточных уравнений, описывающих процесс в гранулах, использован метод переменных направлений, выведены прогоночные коэффициенты с движущимися дополнительными узлами сетки.

Для реализации вычислительной схемы расчета процесса в узловой точке центра координат предложена модификация вычислительной сетки и развит алгоритм расчета двумерной системы уравнений с узловой координатной точкой и подвижными внутренними граничными условиями.

Разработанные алгоритмы реализованы в программе на языке Visual Basic в виде рабочего места технолога для проведения инженерных расчетов.

5. Результаты расчета показали качественные совпадения с режимом кристаллизации, описанном в технологических предложениях фирмы - производителя оборудования.

6. Проведен анализ влияния параметров процесса (размер слоя, условия охлаждения, теплофизические параметры плава и др.) на скорость кристаллизации и охлаждения коагулянта и технические параметры процесса (геометрические размеры кристаллизатора, его производительность).

7. Проведен технико-экономический анализ процессов получения коагулянта.

Показано, что получение продукта с использованием ленточного стального кристаллизатора обеспечивает лучшее качество продукта и стабильный гранулометрический состав.

Показано, что производительность установки для получения коагулянта в виде сплошного слоя на 60% выше, чем его получение в виде гранул, однако продукт получается первого сорта, а суммарные удельные затраты меньше ессго на 2-3% из-за высокой стоимости сырья.

Основной экономический эффект достигается у потребителей коагулянта, позволяя использовать систему «сухого» дозирования гранулированного продукта и, тем самым, уменьшить в 1,5 раза производственную площадь и в 2,6 раза объем здания типовой водоочистительной станции, а также за счет сокращения на 10,9% затрат при перевозке коагулянта ж/д транспортом.

8. Полученные данные использованы для технического перевооружения производства сульфата алюминия на ОАО «Аурат».

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Кутепов A.M., Бесков B.C., Гетманцев B.C., Гетманцев C.B. Моделирование ленточного кристаллизатора формования коагулянтов // Теоретические основы химической технологии. 2005. Т. 39. № 2. С. 140-145.

2. Гетманцев C.B., Бесков B.C., Гетманцев B.C. Математическое моделирование процесса кристаллизации коагулянтов // Химия XXI век: новые технологии, новые продукты: доклады VIII международной научно-практической конференции -Кузбасский государственный технический университет, г. Кемерово, 2005. С. 445-447.

3. Гетманцев B.C., Гетманцев C.B., Бесков B.C. Метод и алгоритм расчета охлаждения пасты на ленточном кристаллизаторе // Процессы и методы технологии неорганических веществ: Сб. научных трудов. Вып. 180. М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева. 2005. С. 46-55.

4. Кулацкий Н.С., Савенков A.C., Бесков B.C., Гетманцев B.C. Математическое моделирование промышленного процесса гранулирования селитры // Процессы и методы технологии неорганических веществ: Сб. научных трудов. Вып. 180. М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева. 2005. С. 35-45.

5. Кулацкий Н.С., Савенков A.C., Бесков B.C., Гетманцев B.C. Расчет процесса в промышленном грануляторе селитры Н Химическая промышленность сегодня. 2006. № 6. С. 39-45.

6. Гетманцев B.C., Бесков B.C. Математическая модель процесса охлаждения и кристаллизации плава на ленточном формователе в производстве коагулянта для водоочистки // Наукоемкие технологии XXI века: Сб. трудов Всерос. науч.-техн. конф. / Под общ. ред. Ю.Т. Панова, г. Владимир: изд-во «Транзит ИКС», 2006. С. 1415.

7. Гетманцев B.C., Гетманцев C.B., Бесков B.C. Охлаждение и кристаллизация плава на ленточном формователе в производстве коагулянта для водоочистки // Теоретические основы химической технологии. 2007. Т. 41. № 3. С. 1-4.

8. Бесков B.C., Гетманцев B.C., Гетманцев C.B. Гранулирование на ленточном формователе коагулянта для водоочистки // Химическая промышленность сегодня. 2008. № 9. С. 50-53.

Заказ № Н__Объем 1.0 п.л.__Тираж 100 экз..

Издательский центр РХТУ им. Д.И. Менделеева

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР.

1.1. Коагулянты. Способы производства.

1.2. Очистка воды коагулянтами.

1.3. Процессы кристаллизации.

1.4. Постановка задачи.

ГЛАВА 2. ПРОЦЕСС СУШКИ СУЛЬФАТА АЛЮМИНИЯ НА ЛЕНТОЧНОМ КРИСТАЛЛИЗАТОРЕ.

2.1. Ленточный кристаллизатор.

2.2. Математическая модель процесса сушки в плоском слое.

2.3. Определение физико-химических и теплофизических параметров • математической модели.

2.3.1. Физико-химические и теплофизические свойства.

2.3.2. Параметры теплопереноса.

2.3.3. Экспериментальное определение значений коэффициентов теплопроводности и теплоотдачи готового продукта-коагулянта.

2.4. Метод решения уравнений математической модели процесса сушки в плоском слое.

2.5. Анализ процесса сушки.

ГЛАВА 3. ПРОЦЕСС КРИСТАЛЛИЗАЦИИ ПЛАВА СУЛЬФАТА АЛЮМИНИЯ.

3.1. Математическая модель процесса кристаллизации плава в плоском слое.1.

3.2. Метод решения уравнений математической модели процесса кристаллизации плава в плоском слое.

3.3. Анализ процесса кристаллизации плава сульфата алюминия в плоском слое.

3.4. Математическая модель процесса кристаллизации в грануле.

3.5. Метод решения уравнений математической модели процесса кристаллизации в грануле.

3.6. Анализ процесса кристаллизации плава сульфата алюминия в грануле.

ГЛАВА 4. ПРОМЫШЛЕННЫЙ ПРОЦЕСС ПОЛУЧЕНИЯ КОАГУЛЯНТА ДЛЯ ВОДООЧИСТКИ.

4.1. Сопоставление процессов получения коагулянта в виде сплошного слоя и гранул.

4.2. Предложение по организации промышленного процесса получения коагулянта.

4.3. Доставка потребителю коагулянта и его подготовка к водоочистке.

Технико-экономический анализ процесса.

Одним из важнейших факторов национальной безопасности любой страны является обеспечение населения питьевой водой. Питьевая вода — необходимый элемент жизнеобеспечения населения, от ее качества, количества и бесперебойной подачи зависят состояние здоровья людей, уровень их санитарно-эпидемиологического благополучия, степень благоустройства жилищного фонда и городской среды, стабильность работы коммунально-бытовой сферы. Также от качества воды зависит уровень развития технологий энергетики и промышленности.

В России около 90% поверхностной и не менее 30% подземной воды подвергается обработке с удалением избыточных примесей [1]. Основным технологическим приемом удаления из воды грубодисперсных примесей, находящихся во взвешенном состоянии, и коллоидных органических загрязнений, присутствующих в воде в растворенном виде, является процесс коагуляции за счет введения в воду коагулянтов.

Основным коагулянтом, используемым в России, является сульфат алюминий. Однако до последнего времени он производился не высокого качества и в неудовлетворительной товарной форме. В условиях развития технологий водоочистки, применения новых реагентов для обеззараживания воды и наметившийся переход на мембранные технологии очистки воды требуется полная автоматизация всех этапов многоступенчатого процесса водоподготовки. Для этого необходимо иметь удобный в использовании (дозировании) реагент - коагулянт. Производимый сульфат алюминий второго и первого сорта, характеризуется нестабильным, разнородным гранулометрическим составом. Поэтому создание производства сульфата алюминия высшего сорта со стабильным гранулометрическим составом для использования в системах автоматического «сухого» или, в крайнем случае, «мокрого» дозирования является весьма актуальной задачей. Эта задача распространяется не только на процессы водоподготовки, но и на технологические процессы в производствах бумаги, картона, на процессы физико-химической очистки сточных производственных вод различных отраслей промышленности и сельского хозяйства.

Цель работы - разработка и выдача технологических параметров для проектирования процесса формования коагулянта - сульфата алюминия на движущейся стальной ленте с использованием разработанных физико-химических и динамических моделей путем последовательного решения методологических, научно-прикладных и технологических задач. Единой методической основой проведения исследований является математическое моделирование.

На защиту выносится.

Обоснование и разработка математической модели процесса кристаллизации влажного плава кристаллогидрата сульфата алюминия на стальной ленте кристаллизатора в виде сплошного слоя и в виде гранул.

Алгоритм процесса кристаллизации плава на ленте в виде сплошного слоя и гранул и, соответствующие, компьютерные программы, как рабочее место технолога для проведения инженерных расчетов.

Обоснование, на основе анализа математической модели ленточного кристаллизатора, процесса получения коагулянта высшего сорта.

Технико-экономическое обоснование по производству на ОАО «Аурат» коагулянта — кристаллогидрата сульфата алюминия с использованием получаемого эффекта, как у производителя, так и у потребителей продукции.

выводы

1. Проведен анализ получения и применения коагулянтов для очистки воды от коллоидных частиц и выбран объект исследований формования товарного коагулянта - Al2(S04)3" I8H2O на ленточном кристаллизаторе.

2. Разработаны математические модели процесса кристаллизации и охлаждения на ленточном кристаллизаторе коагулянта для водоочистки на основе сульфата алюминия на стальной ленте. Модели построены для получения продукта, как в виде сплошного слоя, так и в виде гранул при условии фронтального испарения влаги и фронтальной кристаллизации плава с подвижной границей этих процессов.

3. Из литературных данных определены и оценены параметры математической модели. Значение теплопроводности готового продукта-коагулянта определено экспериментально.

4. Разработан алгоритм решения полученных систем уравнений математической модели процесса с использованием неявной сеточной схемы с подвижными узлами. Для решения сеточных уравнений, описывающих процесс в виде сплошного слоя, использован метод прогонки, выведены коэффициенты для прогонки с разных границ и переменной внутренней границей кристаллизации. Для решения сеточных уравнений, описывающих процесс в гранулах, использован метод переменных направлений, выведены прогоночные коэффициенты с движущимися дополнительными узлами сетки.

Для реализации вычислительной схемы расчета процесса в узловой точке центра координат предложена модификация вычислительной сетки и развит алгоритм расчета двумерной системы уравнений с узловой координатной точкой и подвижными внутренними граничными условиями.

Разработанные алгоритмы реализованы в программе на языке Visual Basic в виде рабочего места технолога для проведения инженерных расчетов.

5. Результаты расчета показали качественные совпадения с режимом кристаллизации, описанном в технологических предложениях фирмы — производителя оборудования.

6. Проведен анализ влияния параметров процесса (размер слоя, условия охлаждения, теплофизические параметры плава и др.) на скорость кристаллизации и охлаждения коагулянта и технические параметры процесса (геометрические размеры кристаллизатора, его производительность).

7. Проведен технико-экономический анализ процессов получения коагулянта. Показано, что получение продукта с использованием ленточного стального кристаллизатора обеспечивает лучшее качество продукта и стабильный гранулометрический состав.

Показано, что производительность установки для получения продукта в виде сплошного слоя на 60% выше, чем его получение в виде гранул,.однако продукт получается первого сорта и суммарные удельные затраты меньше всего на 2-3% из-за высокой стоимости сырья.

Основной экономический эффект достигается у потребителей коагулянта, позволяя использовать систему «сухого» дозирования гранулированного продукта и, тем самым, уменьшить в 1,5 раза производственные площади и в 2,6 раза объем здания типовой водоочистительной станции, а также за счет сокращения на 10,9% затрат при перевозке коагулянта ж/д транспортом.

8. Полученные данные использованы для технического перевооружения производства сульфата алюминия на ОАО «Аурат».

Заключение

Исследование показало, что получение коагулянта на ленточном кристаллизаторе в виде гранул высшего сорта является несколько более затратным, чем другие способы, однако у потребителя достигается значительный технико-экономический эффект. Кроме того, производство кристаллогидрата сульфата алюминия в виде гранул на ленточном кристаллизаторе позволяет достаточно легко регулировать размер гранул, что является важным в современных условиях, когда нужно удовлетворять различные требования потребителя.

1. Драгинский В.Л., Алексеева Л.П., Гетманцев C.B. Коагуляция в технологии очистки природных вод. М.: Науч. изд., 2005. 576 с.

2. ГОСТ 19966-85 с изменениями №1, 2. Межгосударственный стандарт. Алюминия сульфат технический очищенный. Технические условия. Переиздание с изменениями №1, 2 утвержденными в июле 1989 г., апреле 1998 г. М.: ИПК Издательство стандартов, 1999. - 10 с.

3. Позин М.Е. Технология минеральных солей (удобрений, пестицидов, промышленных солей, окислов и кислот), ч. I, изд. 3-е пер. и доп. Изд-во «Химия», 1970. 792 с.

4. Ткачев КВ., Заполъский А.К., Кисилъ Ю.К. Технология коагулянтов. JL: Химия, 1978.- 184 с.

5. Пат. 2157341 РФ, МПК7 С 01 F 7/74. Способ получения коагулянта -жидкого сульфата алюминия.

6. Пат. 2193011 РФ, МПК7 С 01 F 7/74. Способ получения коагулянта -жидкого сульфата алюминия.

7. Пат. 2215691 РФ, МПК7 С 01 F 7/74. Способ получения коагулянта.

8. Заполъский А.К., Баран А.А. Коагулянты и флокулянты в процессах очистки воды: Свойства. Получение. Применение. JL: Химия, 1987. -208 с.

9. Пат. 2163887 РФ, МПК7 С 01 F 7/74. Способ получения гранулированного сульфата алюминия.

10. Пат. 2157342 РФ, МПК7 С Ol F 7/74, В 01 J 2/06. Способ получения гранулированного сульфата алюминия.

11. Пат. 2241671 РФ, МПК7 С 01 F 7/00, 7/74. Способ получения твердого сульфата алюминия или смеси сульфатов алюминия железа кристаллизацией на ленточном конвейере.

12. A.c. 1763370 СССР, МПК С 01 F 7/74. Способ гранулирования сернокислого алюминия.

13. Пат. 2044691 РФ, МПК6 С 01 F 7/74. Способ получения сульфата алюминия.

14. A.c. 1520009 СССР, МПК С 01 F 7/74. Способ получения гранулированного сульфата алюминия.

15. Пат. 2193010 РФ, МПК7 С 01 F 7/74. Способ получения сульфата алюминия.

16. Smoluchovski М. Drei Vortrage Uber Diffusion, Brounische Bewegung und Koagulation von Kolloidteilchnen // Phys. Zeits., 1916, Bd. 17, - S. 557 - 585.

17. Волощук B.M. Кинетическая теория коагуляции. Д.: Гидрометеоиздат, 1984.-284 с.

18. Бабенков Е.Д. Очистка воды коагулянтами. М.: Наука, 1977. 355 с.

19. Мягченков В.А., Френкель С.Я. Композиционная неоднородность сополимеров. JL: Химия, 1988. -288 с.

20. Дерягин Б.В., Чураев Н.В., Муллер В.М, Поверхностные силы. М.: Наука, 1985.

21. Дерягин Б.В. Теория устойчивости коллоидов и тонких пленок. М.: Наука, 1986.

22. Дмитриев В Д. О процессах коагуляции. Сб. трудов. Исследование в области водоснабжения, ЛИСИ, 1982. С. 38.

23. ФридрихсбергД.А. Курс коллоидной химии. Л.: Химия, 1984. 186 с.1

24. Воющий С.С. Курс коллоидной химии. М.: Химия, 1976. 511 с.

25. Фролов Ю.Г. Курс коллоидной химии. М.: Химия, 1982. 400 с.

26. Кузнецов В.Д. Кристаллы и кристаллизация. М.: Техтеоретиздат, 1953. -411 с.

27. Козлов О.Г. Рост кристаллов. М.: Изд-во МГУ, 1967. 235 с.

28. Хонигман Б. Рост и форма кристаллов. Пер. с нем. М.: Издатинлит, 1961.-212 с.

29. Чалмерс Б. Теория затвердевания. Пер. с англ. М.: Металлургиздат, 1968.-288 с.

30. Гелъперин Н.И., Носов Г.А. Основы техники кристаллизации расплавов. М.: Химия, 1975. 352 с.

31. Матусевич JI.H. Кристаллизация из растворов в химической промышленности. М.: Химия, 1968. — 304 с.

32. Нывлт Я. Кристаллизация из растворов. М.: Химия, 1974. — 150 с.

33. Хамский Е.В. Кристаллизация из растворов. Д.: Наука, 1967. 150 с.

34. Хамский Е.В. Кристаллизация в химической промышленности. М.: Химия, 1979.-344 с.

35. Бойченко М.С., Рутес B.C., Фульмахт В.В. Непрерывная разливка стали. М.: «Металлургия», 1961. 302 с.

36. Герман Э. Непрерывное литье. Пер. с нем. М.: «Металлургия», 1961. -435 с.

37. Раддл Р.У. Затвердевание отливок. Пер. с англ. М.: Машгиз, 1960. -391 с.

38. Парр Н. Зонная очистка и ее практика. Пер. с англ. М.: Металлургиздат, 1963. -210 с.

39. Пфанн В.Д. Зонная плавка. Пер. с англ. М.: Металлургиздат, 1960. -366 с.

40. Херингтон Е. Зонная плавка органических веществ. Пер. с англ. М.: «Мир», 1965.-260 с.

41. Вплъке К.Г. Методы выращивания монокристаллов. Пер. с нем. М.: «Мир», 1968.-423 с.

42. Маллин Д.У. Кристаллизация. Пер. с англ. М.: «Металлургия», 1965. -342 с.

43. Matz G. Kristallisation, Grundlagen und Technik. Berlin, Springer, 1969. -400 s.

44. Бэмфорт A.B. Промышленная кристаллизация. M.: Химия, 1969. 240 с.

45. Манделъкорн Л. Кристаллизация полимеров. Пер. с англ. М.: «Химия», 1966. 332 с.

46. Вольфсон Б.Н., Пац Б.М. «Кокс и химия», 1957, № 8, С. 63 64.

47. Свалов Г.Н. Хим. и нефт. маш., 1969, № 4, С. 16 18.

48. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. М.: Химия, 1973. 752 с.

49. Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии: Учебник для вузов. Изд. 2-е. В 2-х кн.: Часть 2. Массообменные процессы и аппараты. М.: Химия, 1995. 368 с.

50. Чураев Н.В. Физикохимия процессов массопереноса в пористых телах. М.: Химия, 1990. 272 с.

51. Сажин Б.С., Сажин В.Б. Научные основы техники сушки. М.: Наука, 1997.-448 с.

52. Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии: Учебник для вузов. Изд. 2-е. В 2-х кн.: Часть 1. Теоретические основы процессов химической технологии. Гидромеханические и тепловые процессы и аппараты. М.: Химия, 1995. 400 с.

53. Химическая энциклопедия: В 5 т.: т. 1: А Дарзана / Редкол.: Кнунянц И.Л. (гл. ред.) и др.- М.: Сов. энцикл., 1988. - 623 с.

54. Джон Г. Перри Справочник инженера-химика т.1 «Химия», 1969. -640 с.

55. Термодинамические свойства индивидуальных веществ: Справочное издание / Под. Ред. В.П. Глушко. 3-е изд. М.: Наука, 1977-1982. т.1-4.

56. Кутателадзе С.С., Боришанский В.М. — Справочник по теплопередаче. JI.-M.: Госэнергоиздат, 1959. -414 с.

57. Kymenoe A.M., Бесков B.C., Гетманцев B.C., Гетманцев С.В. Моделирование ленточного кристаллизатора формования коагулянтов // ТОХТ. 2005. Т. 39. № 2. С. 140 145.

58. Березин КС., Жидков Н.П. Методы вычисления. М.: Физматгиз, 1959.- 620 с.

59. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов. М.: Наука. 1986. 544 с.

60. Бесков B.C., Флокк В. Моделирование каталитических процессов и реакторов. М.: Химия, 1991.-256 с.

61. Яненко Н.Н. Методы дробных шагов решения многомерных задач математической физики. Новосибирск, Наука, 1967. 197 с.

62. Годунов С.К., Рябенький B.C. Разностные схемы. М.: Наука, 1973. -400 с.

63. ГОСТ 5155-74. Государственный стандарт СССР. Алюминия сернокислый технический (неочищенный). Дата введения в действие 28.03.1974. М.: Издательство стандартов, 1974. - 14 с.

64. ГОСТ 19966-85. Государственный стандарт СССР. Алюминия сульфат технический очищенный. Технические условия. Дата введения в действие 30.09.1985. М.: 1985. Издательство стандартов,- 14 с.

65. Фрог Б.Н., Левченко А.П. Водоподготовка: учебное пособие для ВУЗов. М.: Издательство «МГУ», 1996. 680 с.

66. Эксплуатация систем водоснабжения, канализации и газоснабжения: Справочник / Под ред. В.Д. Дмитриева, Б.Г. Мишукова. Изд. 3-е, перераб. и доп. Л.: Стройиздат, 1988. — 383 с.

67. Пособие по проектированию сооружений для очистки и подготовки воды (к СНиП 2.04.02-84 «Водоснабжение. Наружные сети и сооружения») / НИИ КВОВ АКХ им. К.Д. Памфилова. М.: ЦНТП Госстроя СССР, 1989.