Математическая модель технологий использования средств защиты растений по замкнутому циклу и ее реализация Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 628.3(088.8):632.154

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ТЕХНОЛОГИЙ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СРЕДСТВ ЗАЩИТЫ РАСТЕНИЙ ПО ЗАМКНУТОМУ ЦИКЛУ И ЕЕ РЕАЛИЗАЦИЯ

© 2009 г. д-р техн. наук В.А. Вялых, д-р техн. наук А.М. Бондаренко, к.т.н. С.Н. Савушкин, к.б.н. В.Т. Алёхин, к.т.н. В.И. Вялков

Азово-Черноморская государственная агроинженерная академия, г. Зерноград

Всесоюзный научно-исследовательский институт защиты растений

Всероссийский научно-исследовательский и проектно-технологический институт механизации и электрификации сельского хозяйства

В работе на основе системного анализа технологических процессов защиты растений предложены направления и цели технических и технологических решений с последующей разработкой оптимизационной модели, представляющей собой замкнутую систему применения химикатов. Заключительная стадия замкнутого технологического цикла, предусматривающая очистку и обезвреживание сточно-промывочной воды с повторным ее использованием, представлена в виде математической модели. Предлагаемая модель позволяет определить изменение величины рециркулирующего потока в зависимости от колебаний загрязнений.

Практическая значимость разработок подтверждена авторскими свидетельствами и патентами.

Azov-Blacksea State Agroengineering Academy, Zernograd

“All-Russian Scientific and Project-Technological Institute of Mechanization and Electrification of Agriculture”

On the basis of systematic analysis of plant protection technological processes these are suggested directions and aims of technical and technological decisions with following optimized model development, which represents a closed system of chemical application. A final stage of a closed technological cycle, providing for cleaning and rendering harmless of sewing-washing water with next its wage, is represented as a mathematic model. A suggested model gives an opportunity to determine a quantity change of re-cycled flow depending on impurity change.

Practical value of the developments is confirmed with author certification and patients.

Рассматривая растениеводческую отрасль как одну из систем обеспечения безопасности России, выделим одну из ее составляющих - подсистему подготовки и использования химических и биологических средств защиты растений (C3P) во взаимодействии с окружающей средой - экологической системой. Цель функционирования подсистемы - повышение урожайности растениеводческой продукции и качественных ее показателей не ниже мировых стандартов

с учетом экологической безопасности процессов. Функционирование подсистемы и входящих в нее блоков складывается из трех частей: управляемой (подготовка и использование СЗР); охраны природы; управляющей, включая прогноз и контроль.

Важнейшей составляющей подсистемы является подсистема взаимодействия с окружающей средой (экосистемой) с подсистемой контроля.

Применительно к подсистеме матема-

тическая модель должна предусматривать законченную и безотходную технологию, обеспечивающую, наряду с увеличением выхода сельскохозяйственной продукции (технической и экономической эффектив-

ности), экологическую безопасность.

Ниже приведены направления и способы реализации технологий и технических средств для использования в СЗР с учётом сохранения экосистемы.

Направления и цели Способы и устройства реализации технологий (патентообладатель ВНИИЗР)

Уменьшение потерь пестицидов при заправке опрыскивателей 1. Закрытые заправочные системы стационарных пунктов. А.с. № 1491427, Пат. № 2015669, Пат. № 2032304. 2. Закрытые самозаправочные системы штанговых и вентиляторных опрыскивателей. А.с. № 1516075.

Снижение энергоматериалоемкости и числа периодических промывок коммуникационных систем опрыскивателей, протравливателей 1. Многосекционный резервуар опрыскивателя. А.с. № 1282837. 2. Автономная подача воды и пестицида к распылителям. Пат. № 2238648, Пат. № 2305938. 3. Технология протравливания. А.с. № 393974, А.с. № 447128, Пат. № 2272391.

Уменьшение сноса распыли-ваемой рабочей жидкости при опрыскивании 1. Распылители щеточного типа. А.с. № 1184497. 2. Опрыскиватель для пропашных культур с двуярусным размещением распылителей и др. Пат. № 2077845, Пат. № 2120751, Пат. № 2136154

Снижение потерь пестицидов при устранении технологических неисправностей 1. Калибровочные стенды. А.с. № 1523182, А.с. № 1657232. 2. Система фильтрации в коммуникациях опрыскивателей. Пат. № 2175475. 3. Концентратомер КП-1101.

Обезвреживание промывочно-сточных вод и повторное их использование на заправочных операциях, очистке и мойке машин 1. Технология и установка для очистки и обезвреживания загрязненной пестицидами воды. Пат. № 2124382. 2. Промывочное устройство бака опрыскивателя. Пат. № 2202183.

Использование энтомофагов 1. Электростатический способ и устройство для производства трихограммы. А.с. № 978804. 2. Расселитель трихограммы. Пат. № 2038782.

Для определения качественной, количественной и экологической оценок сложившихся и перспективных технологий производства, подготовки и использования СЗР по единому критерию разработана экономико-математическая модель подсистемы «СЗР - технологическая площадка (подготовка СЗР) - поле - сохраненный (дополнительный) урожай - экологическая безопасность (обезвреживание и утилизация отходов)». Структурная схема подсистемы «СЗР-ТП-П-ДУ-ЭБ» (рис. 1) включает в себя подсистему производства и подготовки СЗР, состоящую из двух блоков.

Первый блок - это завод и (или) био-

фабрика по производству пестицидов, биопрепаратов, энтомофагов; складское помещение хранения СЗР.

Второй блок - технология подготовки к использованию как самих СЗР, так и рабочего материала (зерно для производства хозяев-паразитов, семенной материал для протравливания и др.), а также набор технических средств, их энергонасыщенность, транспортные средства и т.п.

Основные входящие параметры подсистемы использования СЗР: цех растениеводства, технические средства для поверхностного и подпочвенного внесения СЗР (опрыскиватели, летательные аппараты,

транспортно-заправочные машины, культиваторы, бороны и т.п.), загрузчики сеялок протравленными семенами и др.

Выходящие параметры подсистемы растениеводства представлены двумя

группами. Одна из них - это дополнительный урожай возделываемых культур ДУ1, ДУ2...ДУг- и экологическая безопасность ЭБ1, ЭБ2...ЭБь обеспечивающие функционирование всей структурной схемы подсистемы в конкретных природно-климатических условиях.

Вторая группа - технические средства в эксплуатационно-циклический период.

Подсистема охраны окружающей

среды включает в себя блок, состоящий из двух технологических площадок - одна предназначена для мойки машин и оборудования, вторая - для очистки воды, нейтрализации содержащихся в ней пестицидов и обеззараживания тары.

В данной работе более подробно рассмотрена заключительная стадия замкнутого технологического цикла использования пестицидов, предусматривающая очистку и обезвреживание сточно-промывочной воды (СПВ) с повторным ее использованием, представленная в виде математической модели.

Рис. 1. Синтез-структура подсистемы «Средства защиты растений -технологическая площадка (подготовка СЗР и материала) - поле - прибавка урожая -

охрана окружающей среды»

На рисунке 2а представлена блок-схема очистки и обезвреживания от пестицидов ПСВ в технологическом комплексе машин, реализованная на примере в виде стационарной установки в ОАО «Садовое» Лискинского района Воронежской области.

Технологический процесс мойки машин и очистки - обезвреживания промывочно-сточной воды, определяется многими входными и выходными параметрами

(рис. 2б). Входные включают в себя количество подаваемой с моечной площадки СПВ, концентрацию загрязнений поверхности машин, оборудования и тары, количество и концентрацию отделяемых примесей и др.

Их обозначения:

Wr, Wcb, W* W^, W:5 - количество (т/ч) моечной воды в главном потоке, до-

бавляемой свежей воды, нейтрализатора, отделяемых примесей, загрязнений на поверхности машин;

Спр, Сз, Сок, Сен, Скс Схи, — концентра-

ция (мг/дм ) примесей, загрязнений, реагентов - оксида кальция, едкого натра, кальцинированной соды, хлорной извести.

W,

W,

Ср

С*

Cef

б

Рис. 2. Блок-схема очистки и обезвреживания промывочно-сточной воды от пестицидов для повторного её использования а - блок схема: 1 - фильтр грубой очистки; 2 - первичный аэрируемый сборник-смеситель (реципиент); 3 - блок гидроциклонов; 4 - отстойник; 5 - блок фильтров;

6 - сепаратор; 7 - насос; ТЗС - транспортно-заправочное средство; СЗС - стационарная заправочная станция; СВ - сточная вода; К - компрессор; б - параметрическая схема

Процесс также характеризуется большим числом выходных параметров: количеством рециркулирующего Wf, и отводимого Wc, потоков, количеством и характером осадка W^, концентрациями различных веществ в промывочной, обезвреженной воде во всех видах потоков технологической схемы: Соб, Си, Сф, Сг, Сб, Со, мг/дм3 - инсектицидов, фунгицидов, гербицидов, биопрепаратов, осветленной воды. Кроме того, на стадиях технологического процесса 1-1, 2-2, 3-3, 4-4, 5-5 очистка характеризуется интенсивностью процессов превращения au bu сь количеством кос и качеством сос осадка.

Составим математическое описание статической характеристики по одному из выходных параметров - величине рециркулирующего потока, являющейся удобным управляющим параметром. При разработке системы управления необходимо знать, как влияет величина загрязнений машин и оборудования, поступающих на мойку, а также проливов на изменение степени загрязнения воды взвешенными примесями. Сначала составим математическое описание в установившемся состоянии.

Для составления модели введем обозначения: С1, С2, С3, С4 , С5 - концентрация

взвешенных примесей в воде (рис. 1) в сечениях 1-1, 2-2, 3-3, 4-4, 5-5; См, Соб, Сщ, Сф - концентрация твердой фазы в осадке из моечной площадки, реципиента (приемника-смесителя реагентов), гидроциклонов, фильтрующего (осветляющего) устройства; a1, a2, a3, a4 - коэффициенты, учитывающие потери воды соответственно после моеч-

ной площадки, реципиента, гидроциклонов (шламосборника) и осветляющего устройства.

Согласно блок-схеме (рис. 2а), материальные балансы в установившемся состоянии процесса для участков между сечениями можно выразить следующей системой уравнений:

aiW^2 = WA + W3C3 - (Ь^гСм; a2W^3 = aiW^2- (ai - a2)WгCоб; aзWгC4 = a2WгCз - (a2 - aз)WгCгц; &WC5 = aзWгC4 - (a3 - &0W^;

WгCl = WрC5 + WсвCсв. (1)

В установившемся состоянии при Wг = Wf, + Wсв для участка системы от сечения 5-5 до сечения 1-1 материальный баланс можно выразить по суммарным потокам:

Wг = Wр + Wсв = RW +(1 - R)Wг (2) WгCl = RWгC5 + (1 - R^ Ссв). (3)

Здесь R - коэффициент рециркуляции, характеризуемый отношением рециркулирующего (побочного, добавляемого в систему свежей воды) потока к сумме побочного и прямого W^ - главному потоку:

R =

W„

W + W

* св р

(4)

Величина R может изменяться от нуля до единицы (0 < R < 1), являясь показателем величины потерь воды в технологическом процессе.

С1

а * С2

Значение величины R можно регулировать отводом рециркулирующего потока Wo из системы после сборника очищенной воды, например на моечную площадку (рис. 2а). При этом изменяется количество подводимой свежей воды.

Приведенная система уравнений (3), (4), (5) представляет собой математическую модель процесса. Совместное решение уравнений можно свести к определению концентрации взвешенных частиц и примесей в потоке воды перед моечной площадкой. Для этого по принятым или установившимся экспериментальным значениям С2, a1, a2, a3, a4, R, Wг, W3 найдем концентрацию взвешенных частиц во всех сечениях потока для установившегося состояния процесса:

W

W С3 + (1 - a)CM;

Wr

г ~а^с | а1+а2r .

С2 С3 + Соб;

1

1

Q _ аз Q | а 2 а4 Q .

а а0

2

2

Г'_а4 П ,аз а5 п - п — п — ^ п 1 Rr'

4 "г,С + а, Сф’ С Ср R4 R

а з а з

Поочередно подставляя и используя известное значение с1, определяем

W3C3

р _ "3С3 а1 а2 р а2 а3 р _ а2 а3 р , 1 R р

СМ , _ Соб , _ СГЦ л ^ Сф + , _ ССВ '

(1 - аl)Wг 1 - а

1 - а

2

1 - а1

1 - а1

(5)

(6)

Из уравнения находим соответственно С1, С3, С4, С5, затем из последующих уравнений определяем Соб, Сгц и Сф. Полученные значения Соб, Сгц, Сф и См подставляем в (7) и находим

С1 = a5C5 + (1 - R) Ссв. (7)

В связи с изменением величины загрязнения промывочно-сточной воды выходные параметры процесса будут также изменяться, что можно определить аналитически, вводя в уравнения приращения концентрации взвешенных загрязнений.

a1W^2 + ДС2)= WгCl + W3^3+ ДС3) - (1 - a1) WгCм;

(8)

a2Wr(C3 + ДСз)= aiWr(C2+ ДС2) - (ai - ai) WrCo6; (9)

a3Wr(C4 + ДС4)= aiWr(C3+ ДС3) - (a2 - a3) W^; (10)

a4Wr(C5 + ДСз)= a3Wr(C4+ ДС4) - (a3 - 04) W^; (11)

WrCi(Wp + ДWр)= (C5 + ДС5) + (Wcb + ДWCв)CCв. (12)

Так как AW^AW^, то последнее уравнение будет выглядеть как

WrC1=(Wp + ДWp)(C5 + ДC5) + (WCв + ДWCв) CCв (13)

Из системы уравнений определим изменение величины рециркулирующего потока в зависимости от колебания загрязнений.

AW =-

(1 - а1 )СМ +(а! - а 2 )Соб +(а 2 - а 3 )СЩ-(а 3 - а 4 )Сф-(1 - а 5 )Ссв - W (С4 + АС 4)

Wr

W

(14)

4 (С4 + АС4)+С1 -(1 - а1 )См -(а1 - а 2 )Соб -(а 2 - а 3 )СЩ -(а 3 - а 4 )Сф - а 4^

Решив последнее уравнение относительно величины концентрации в данном сечении технологической схемы при ДWp=0, можно получить уравнение для ее определения и составить соответствующий алгоритм для решения на ПЭВМ. Определить изменение величины потока можно не только от концентрации взвешенных частиц, но и от концентраций любого другого компонента промывочно-сточной воды.

Реализация разработок ВНИИЗР с участием ВНИПТИМЭСХ и ЦНИИМЭСХ в условиях ЦЧР, Северного Кавказа, Поволжья, Нечерноземной зоны, а также в ряде зон бывшего СССР позволила сократить на 10-15% удельный расход пестицидов, на 15-20% снизить степень загрязнения экосистемы и уменьшить на 20-25% расход пресной воды.

ЛИТЕРАТУРА

1. Лобачевский, П.Я. Закономерности распределения семян и растений в рядках точного пунктирного посева [Текст] / П.Я. Лобачевский //Труды АЧИМСХ. - Ростов н/Д: Ростовское книжное изд-во, 1970. - Вып. 21.

2. Лобачевский, П.Я. Закономерности распределения растений при квадратногнездовом и гнездовом посеве [Текст] / П.Я. Лобачевский // Труды АЧИМСХ.- М.: Рос-сельхозиздат, 1961. - Вып. 18.