CC BY
10
УДК 004.94:66.087.4
Шишканова К.И., Индейкина В.А., Гайдамавичюте В.В., Никитин Е.В., Василенко В.А., Филиппова Е.Б., Бродский В.А., Колесников А.В., Кольцова Э.М.
Компьютерное моделирование утилизации кислотно-щелочных отходов I-II класса опасности
Шишканова Ксения Игоревна - студентка группы КС-44 кафедры информационных компьютерных технологий; ksenia52296sh@mail.ru.
Индейкина Виктория Александровна - студентка группы КС-44 кафедры информационных компьютерных технологий; viktoriaindeykina@gmail.com.
Гайдамавичюте Виктория Владо - студентка группы КС-44; mgaivik@yandex.ru. Никитин Егор Владимирович - студент группы КС-44; egornikitin2222@gmail.com.
Василенко Виолетта Анатольевна - к.т.н., доцент кафедры информационных компьютерных технологий; vasilenko.v.an@muctr.ru.
Филиппова Елена Борисовна - к.т.н., доцент кафедры информационных компьютерных технологий; silvaf@mail.ru.
Бродский Владимир Александрович - к.х.н., старший научный сотрудник кафедры технологии неорганических веществ и электрохимических процессов;
Колесников Артем Владимирович - к.т.н., доцент, исполняющий обязанности заведующего кафедрой технологии неорганических веществ и электрохимических процессов;
Кольцова Элеонора Моисеевна - д.т.н., профессор, заведующий кафедрой информационных компьютерных технологий.
ФГБОУ ВО «Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева», Россия, Москва, 125047, Миусская площадь, дом 9.
Работа посвящена анализу и созданию компьютерной модели технологической схемы линии переработки кислотно-щелочных промышленных отходов I-II класса опасности. Изучены технологии очистки, смоделирован процесс утилизации отходов в статическом режиме с помощью программного обеспечения для компьютерного моделирования Aspen Hysys компании AspenTech.
Ключевые слова: кислотно-щелочные отходы, утилизация, компьютерное моделирование, электрофлотация. Computer simulation of acid-base waste disposal of hazard class I-II
Shishkanova K.I., Indykina V.A., Gaydamavichute V.V., Nikitin E.V., Vasilenko V.A., Filippova E.B., Brodsky V.A., Kolesnikov A.V., Koltsova E.M.
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russian Federation
The work is devoted to the analysis and creation of a computer model of the technological scheme of the processing line of acid-base industrial waste of hazard class I-II. The cleaning processes were studied the process of waste disposal in static mode was modeled using Aspen Hysys computer modeling software from AspenTech. Key words: analytical chemistry acid-base waste, recycling, computer modeling, electroflotation.
Любое производство так или иначе сопровождается появлением техногенных отходов. Техногенные отходы - это материалы и сырье, которые утратили начальные свойства. Они содержат токсичные вещества, повышенные концентрации которых в организме человека, могут вызвать серьезные проблемы со здоровьем и нанести непоправимый урон окружающей среде. Анализ показал необходимость переработки таких жидких отходов, как отработанные кислоты (серная, соляная, азотная, фосфорная), остатки щелочных реагентов (гидроксидов калия и натрия). Данные отходы являются близкими к тем, которые образуются в гальванических производствах и в производствах неорганических материалов [1].
Жидкие кислотно--щелочные отходы - это самый распространённый тип отходов предприятий машиностроительной и металлообрабатывающих отраслей промышленности. В кислой части отходов в основном содержатся серная и соляная кислоты, с
наиболее высоким содержанием серной кислоты. В составе щелочной части преобладает содержание гидроксида натрия [1].
Наиболее известными методами очистки являются методы, которые совмещают реагентные, электрохимические, мембранные и сорбционные методы [2]. Одним из наиболее современных методов электрохимической очистки отходов является электрофлотация [3]. Электрофлотация - это процесс очистки сточных вод, при котором отделяются взвешенные частицы от воды с использованием пузырьков газа, образующихся в процессе электролиза воды. Для проведения процесса электрофлотации используется
электрофлотомембранное устройство, которое представляет собой корпус, разделенный на секции предварительной электрообработки в виде анодной и катодной камер диафрагменного электролизера и электрофлотационной очистки, отличающееся тем, что устройство снабжено катионообменной
мембраной, расположенной в анодной камере диафрагменного электролизера между анодом и анионообменной мембраной и образующей камеру концентрирования со стороны анионообменной мембраны[4].
Для решения задачи очистки отработанных кислотно--щелочных технологических растворов и сточных вод от загрязнений неорганической и органической природы специалистами Российского химико-технологического университета им. Д.И. Менделеева разработаны технологические решения, внедрены установки по извлечению ионов металлов, нефтепродуктов, масел и ПАВ из водных растворов
[5].
Технологическая линия очистки кислотно-щелочных отходов была смоделирована в программе Aspen Hysys. Компьютерное моделирование технологической схемы процесса утилизации включало в себя несколько этапов:
1) создание базы данных компонентов и набора реакций;
2) моделирование линии подготовки технологической схемы;
3) составление материального и теплового балансов технологической схемы;
4) моделирование линии утилизации кислотно-щелочных отходов.
В первую очередь была создана база данных компонентов, которые участвуют в процессе переработки кислотно-щелочных отходов, в которую вошли как уже имеющиеся в программе компоненты, так и созданные вручную гипотетические компоненты. Некоторые из этих компонентов задавались в виде твердых веществ. Для создания гипотетических компонентов также потребовалось найти такие свойства веществ, как молекулярная масса и плотность вещества, а далее ввести их в базу данных компонентов.
Следующим этапом было создание пакета реакций, который включает в себя реакции, протекающие в аппаратах в ходе переработки кислотно-щелочных отходов. Все реакции задавались в программе как конверсионные.
Далее была смоделирована линия подготовки реагентов, которые будут участвовать в дальнейшем процессе. К ним относятся: гексагидрат железа, 30% раствор серной кислоты, 30% раствор гидроксида натрия и раствор флокулянта «Superfloc» (-CH2-CH-CO-NH2-), представляющий собой технический продукт, состоящий из смеси полиакриламида с сульфатом аммония.
Данная технологическая схема предназначена для очистки кислых и щелочных отходов. Кислые отходы состоят из ионов: Fe3+ (эти ионы образуются при диссоциации хлорида железа, FeCb), Cu2+ (образуются при диссоциации сульфата меди, CuSO4), Ni2+ (образуются при диссоциации сульфата никеля, NiSO4), H2SO4, H2O, щелочные отходы -NaAlO2, Na2ZnO2, NaOH, H2O.
Линия утилизации кислотно -щелочных отходов содержит шесть реакторов Р1-Р6. Для них были
заданы объемы и заранее созданные соответствующие пакеты реакций. Также по данным материальных балансов для каждого из реакторов был рассчитан тепловой баланс по закону Гесса с учетом тепловых эффектов химических реакций. Это позволило установить для каждого реактора тепловую нагрузку, изменяющую температуру раствора в нем. Для регулирования температуры продуктов на выходе из оборудования были установлены теплообменники. Пример одного из смоделированных реакторов представлен на рис. 1.
Пар(9)
Q-P1
Р1
Вода(тепл.)_1
Выход_Р
Выход Р1(тепл. E-10ÓT
_Вода(тепл.)_1
Рис. 1. Реактор Р1.
Также были смоделированы декантерные центрифуги Д1-Д4, которые используются для отделения твердых частиц от жидкой фазы. Так как в кассе объектов отсутствуют декантерные центрифуги, была произведена работа по подбору наиболее эффективной системы из имеющихся моделей технологического оборудования для воспроизведения процесса отделения осадка. Самой подходящей оказалась система, состоящая из одиночного сепаратора твердой фазы и двух разделителей компонентов (рис. 2). Далее в одиночном сепараторе были заданы разделенные фракции, которые представлены на рис. 3.
Пар(24)
Вы*од_Д1
Д1<1)_одсеп
Осадок_Д1
ВыиОД_Д1{1)
_ВЬ1Х0Д_Д1
Д1(2)_рэзделитель
Вода J1
9
Д1(Э)_разделитель
Осадок_Д1(1) !_
Рис. 2. Система, имитирующая декантерную центрифугу.
■ Разделенные фракции
Из твердой фазы в пароо 0,0000
Из твердой фазы в жидку 0,0000
Из твердой фазы в кубов! 1,0000
Из жидкой фазы в кубоеь 0,0000
Рис. 3. Настройка разделения фракции в одиночном сепараторе.
Следующим этапом стало моделирование электрофлотатора для дальнейшей очистки потоков от дисперсных веществ. Ввиду отсутствия электрофлотатора в программе Aspen Hysys был создан его аналог, в котором происходит идентичный процесс. Он состоит из конверсионного реактора, одиночного сепаратора твердой фазы и разделителя компонентов (рис. 4).
JÍ
код_Р5
С1-ЭФ1
Пар[29) ЭФ(1)_реактор
Пар(ЗО)
Выход_ЭФ1(1) ЭФ(2)_од.сеп.
Осветленный раствор _j
0_ЭФ1(1)
_Осветленный I раствор y¡=
| ЭФ(3)_резделитель Вода_ЭФ1
Взвешенный осадок
Рис. 4. Аналог для описания электрофлотационного процесса.
В реакторе была задана реакция электролиза воды
(1):
2Н2О ^ 2Н2 + О2 (1) Для отделения воды от взвешенного осадка, образовавшегося в результате электрофлотационного процесса, был установлен фильтр-пресс. Данный аппарат также отсутствует в кассе объектов, поэтому он был заменён на одиночный сепаратор твердой фазы (рис. 5).
Пар(32)
Выхсщ_Е8 у—у
} ФП1 V/
8ыход_ФП1
Осадок_ФП1
Рис. 5. Замена фильтр-пресса.
Результатом работы стали компьютерная модель линии переработки кислотно--щелочных отходов в статическом режиме при использовании программы Aspen Hysys. По окончании разработки и расчёта всей технологической схемы были получены выходные потоки, очищенные от компонентов, содержащих кислоты и щелочь. Данная термодинамическая модель была создана на основе материального и теплового балансов технологической схемы и соответствующего набора химических реакций. Созданная модель позволяет регулировать и оптимизировать технологический процесс очистки промышленных стоков и прогнозировать возможные аварийные - сбои в системе.
Список литературы
1. Бродский В.А., Колесников А.В., Ю. О. Малькова, Кисиленко П.Н., Перфильева А.В. Технологические решения и опыт промышленной переработки жидких кислотно--щелочных отходов // Теоретическая и прикладная экология. 2021. № 4. C. 34 - 42.
2. Chen G., Hung Y.T. Electrochemical wastewater treatment processes // Handbook of Environmental Engineering. 2007. V. 5. P. 27-33.
3. Mohtashami R., Shang J.Q. Electroflotation for treatment of industrial wastewaters: A focused review // Environmental Processes. V. 6. Springer Nature, Switzerland, 2019. P. 325-353.
4. Ильин В.И., Бродский В.А. Электрофлотомембранное устройство// Патент RU 136035 U1. Дата публикации: 27.12.2013.
5. Бродский В.А., Сахаров Д.А., Колесников А.В., Ашихмина Т.Я., Иванов К.Н. Проблемы обезвреживания и утилизации высокотоксичных техногенных промышленных отходов, их переработка с получением ценных компонентов // Теоретическая и прикладная экология. 2022. № 4. С. 88-95.
