CC BY
100
УДК 628.543.3/.9:665.6:519.863
ЯП. Быкова, Б.В. Ермоленко
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ВЫБОРА ЭФФЕКТИВНОЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД НЕФТЕПЕРЕРАБАТЫВАЮЩЕГО ПРОИЗВОДСТВА И ПОСТРОЕНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ
In the article a problem of water treatment systems improvement in oil-processing enterprises is raised. A task of wastewater treatment effective technological scheme choice has been set and the economic-mathematical model for process flowsheet for sewage treatment optimization choice has been developed.
В статье поднята проблема совершенствования систем водоочистки на нефтеперерабатывающих предприятиях. Поставлена задача выбора эффективной технологической схемы очистки сточных вод и разработана экономико-математическая модель оптимизации выбора проектных решений по очистке сточных вод нефтеперерабатывающего производства.
На долю нефтеперерабатывающей промышленности приходится не менее 1% объема используемой промышленностью Российской Федерации свежей воды и 13% сброса сточных вод в поверхностные водоемы.
Сточные воды предприятий нефтепереработки и нефтехимии высокотоксичны и при существующих объемах водоотведения представляют собой серьезную экологическую опасность. В некоторых случаях высокая загрязненность воды, использующейся в технологических процессах, приводит к значительным экономическим потерям, часто необратимым. Проблема совершенствования, а в некоторых случаях и коренного изменения, систем водоочистки на нефтеперерабатывающих предприятиях на сегодняшний день стоит очень остро.
Существует ряд методов, позволяющих очистить сточные воды нефтеперерабатывающего завода в первую очередь от специфических загрязнений, затем от механических примесей, взвешенных и растворенных веществ. Таких методов очистки большое множество, аппаратурное оформление их различно, каждый имеет свои достоинства и недостатки. Разработка оптимальной технологической схемы, позволяющей довести концентрации загрязняющих веществ до нормативного уровня, является весьма сложной проблемой. В связи с этим разработка методов и моделей эколого-экономического анализа и оптимизации выбора проектных решений по очистке сточных вод нефтеперерабатывающего производства является особенно актуальной.
В неформализованном виде задача оптимального синтеза технологической схемы очистки сточных вод нефтеперерабатывающего производства может быть сформулирована нижеследующим образом. Выбрать технологическую схему очистки сточных вод нефтеперерабатывающего производства, обеспечивающую степень очистки сточных вод до нормативного уровня с минимальными затратами на создание и эксплуатацию очистных сооружений, с учетом следующих факторов: наличие нескольких источников образования загрязненных сточных вод; местоположение объекта, для которого проектируются очистные сооружения; степень готовности к эксплуатации предприятия, для которого проектируются очистные сооружения; условия водоотве-дения; объем сточных вод, подлежащий очистке; состав и концентрации веществ в исходных сточных водах; условия использования методов на различных стадиях очистки (появление новых веществ на определенных стадиях очистки, добавление реагентов при использовании реагентных методов).
В качестве основного критерия оптимизации может быть использован минимум приведенных затрат, связанных с созданием и эксплуатацией очистных сооружений (включая платежи за загрязнение окружающей среды). В ряде случаев можно ис-
пользовать в качестве критерия оптимизации минимум инвестируемых в создание очистных сооружений средств.
Для построения математической модели вводится полное множество разработанных технологических схем очистки сточных вод как U = {l,2,...,u,...mu}, где Uдля Vu е U.
Мы определяем максимально возможное множество ступеней очистки для каждой схемы соединения S = {l,2,...,s,...ms}, где S для Vs е S. Полное множество методов, применяемых для очистки сточных вод нефтехимических производств можно обозначить как I = {l,2,...,i,...mi}. Тогда после формализации подмножество методов очистки, характерных для s-й ступени для схемы соединения имеет вид: Is = {l,2,..., i,...mIs} , где I для Vi е I, Vs е S. Для каждого I-го метода ( Vi е I, Vs е S, Va е A, Vu е U ) существует подмножество типов технологических аппаратов Ti ={l,2,...,t,...mTi}. Тип аппарата при формализации однозначно определяет:
а) подмножество загрязняющих веществ Jtta = {l,2,..., j,...mit}, от которых должен быть очищен сток;
б) коэффициенты очистки промстока от j-го вещества как фиксированную функцию от концентрации на входе it-го аппарата -njit = njit (Cjit х) .
Аппараты t-го типа различаются по своим типоразмерам (мощностям). Множество типоразмеров может быть задано как Rit = {l,2,...,r,...mRit} для Vt е Ti и Vi е Is.
Аппарат каждый itr-го типоразмера характеризуется:
- пропускной способностью Ptat"", м /час;
- коэффициентами очистки r]jitr = njit = njit (Cjitех), а для реагентных методов
njitr =П]и =П]и (Cjitвх,Mit), где Mit- количество добавляемого реагента в долях от сте-
хиометрически необходимого количества;
- капитальными затратами, связанными с приобретением, доставкой, монтажом и наладкой оборудования К™", тыс. руб. или USD;
- текущими затратами на эксплуатацию оборудования , тыс. руб./год или
USD/год (без учета платежей за загрязнение окружающей среды).
Величина капитальных затрат, необходимых для внедрения средозащитной техники, определяется следующим соотношением
= ZZ Z Z KT • для Vu еU,Vau е A
VsеS ViеI ^е^ V^R^
Текущие затраты могут быть вычислены аналогичным образом Cсз = Z Z Z Z Cапп • X для Vu е U, Va е A
^ uaitr uasitr ^ ' u
VsеS ViE^ V^uasi ^е!^
Величина платежей оценивается при сбросе загрязненной воды на рельеф местности или в поверхностный водный объект (плата за загрязнение окружающей среды), а также при сбросе вод в канализационную систему (платежи за использование городской канализации и городских очистных сооружений). Масса сброса загрязняющего вещества j-го типа за время т может быть определена как
f Л
m]ua = (Z Wa) • т • Z j '(Wa / Z Wa) • П П П (l - П () • XCua,lt)
^ VsеS ^е^ ^е^ y
Учитывая, что очистка должна обеспечивать нормативы отведения, величина платежей рассчитывается по ставкам в пределах норматива Плн
( \ Пл = 2ПлннТ 2/0Wa ППП(1 -П(с ^)X)
^У/е./ Ухе5 УíEГJ¡ у
Спецификой очистки стоков нефтеперерабатывающих производств является наличие раздельных потоков с их последующим объединением на различных стадиях очистки. В этом случае при построении модели существенные трудности возникают при определении характеристик смешанных потоков.
Для решения этой проблемы предлагается:
1. Провести декомпозицию общей задачи синтеза оптимальной технологической схемы на псх локальных задач оптимизации, каждая из которых соответствует фиксированной схеме объединения потоков;
2. Для каждой задачи, соответствующей фиксированной схеме объединения потоков: выделяются уровни потоков, количество которых ппур определяется числом
объединений потоков пп об как ппур = ппоб +1; для преодоления проблемы нелинейности концентраций при смешении потоков, объединенный поток представляется в виде раздельных "квазипотоков", очищаемых в одном технологическом аппарате для каждой из последующих ступеней очистки; для решения задачи выбора оптимальной технологической схемы строится математическая модель, описывающая процессы очистки обычных и квазипотоков; оптимальная технологическая схема выбирается путем решения последовательности пп ур задач оптимизации; оптимальное решение каждой задачи оптимизации осуществляется с использованием модели, скорректированной по результатам решения предыдущей задачи; показатели эффективности решения последней задачи используются как показатели эффективности выбора оптимальной технологической схемы очистки для заданной схемы объединения потоков.
Глобальный оптимум ищется как наиболее эффективное решение из множества решений оптимизационных задач для множества схем объединения.
Таким образом, в результате различных преобразований получается математическая модель линейная относительно введенных переменных, которую можно использовать для синтеза эффективной технологической схемы очистки с использованием стандартного пакета целочисленного программирования. Также полученную модель можно применять для анализа уже спроектированных технологических схем: с помощью модели можно прогнозировать качественные и количественные характеристики сточных вод на каждой ступени очистки и эколого-экономическую эффективность рассматриваемой технологической схемы очистки.
Для решения задачи выбора эффективной технологической схемы очистки сточных вод нефтеперерабатывающего производства будут проанализированы существующие методы очистки стоков этого класса объектов, разработаны возможные схемы очистки с различными вариантами объединения потоков.
В данный момент собирается информация об имеющемся на рынке отечественном и зарубежном средозащитном оборудовании.
На основе этой информации будет разработана база данных, структура которой предполагает наличие следующей технико-экономической информации: метод, лежащий в основе процесса очистки; извлекаемые из сточной воды компоненты, их входные и выходные концентрации; степень очистки; производительность; габаритные размеры, площадь (общая и рабочая), объем (общий и рабочий), масса установки; рабочее давление и температура; мощность, энергозатраты, материал, из которого изготовлен аппарат, срок службы, цена и другие характеристики; реквизиты фирм-изготовителей, необходимые для заказа оборудования.
Математическая модель оптимального синтеза технологической схемы очистки сточных вод нефтеперерабатывающих производств
нЭ
О
X X
[О
о о <1
<1 ы
(¿»Сув0)+£ III (Ьп(\-7!]а^ик))• хш1й{ЬпСн]во \/*е8а \/кеК для У/ се ./ . для У а е А № Условия выполнения нормативов водоотведе-ния для каждого из загрязняющих веществ
Ж < У Рапп ■X для Уа е А, е V/ е /„, V/ е Гжг, Уг е (2ав И) Ограничения по пропускной способности очистного оборудования
(СиС^О-^^/лС^+Х ^ I ЕМ для V/ е J, У а е А и е Условие попадания концентрации вещества у-го вещества в стоке на входе в аппарат ¿-го типа, использующего 1-метод и установленного на (л+/)-й стадии в к-й интервал
Уге/Ш Vie^аs¡( для V/ е J, У а е А и \/1 еЬ (4]а1) Определение в какой интервал концентраций входит концентрация промсто-ка, прошедшего очистку
Ха,= ^Х^УаеДУ.е^ (5ая) Условие единственности применяемого на \-й ступени метода очистки
^ " ^ = Уа Е А, \/зЕ5а, У (;, / ■) е ГаТ (6ав(1,1')) Условие "связанности" методов очистки по ступеням
VíE:Гas¡ (7а$1) Условие единственности применяемого на \-й ступени типоборудования в рамках выбранного /-го метода очистки
КГ ■ Ки * I ^ , Уа е Л V* е ^, У Г е Гшг, V/ е /, (8 ая И) Условие выбора типоразмеров и количества используемых на \-й ступени аппаратов ¿-го типа
У у _ V- (9 ]а 5 И) Условие единственности выбора к-го интервала
II <3 (Юав) Условие существования \-й ступени
^ = I1, (Пав!) Условие использования аппарата, работающего по /-му методу очистки на \-й ступени
= {1, 0} (12ав И) Условие использования аппарата ¿-го типа, работающего по /-му методу очистки на \-й ступени
II <3 (1 Зав (1,1')) Условие применения "связанной" пары методов очистки (г, V) на \-й и (\+/)-й ступенях
^={0,1, 2,...} (14ав Иг) Условие выбора оборудования г-го размера го типа, использующее /-метод, для установки на л-й ступени очистки в количестве п штук
Ха,ик = {1, 0} (15аз' Ик) Условие выбора оборудование ¿-го типа, использующего /-метод, работающего в к-м интервале, для установки на й ступени очистки
Х]а1 = {1,0} (Щей) Условие попадания концентрации вещества у-го вещества в стоке, прошедшем очистку, в интервал 1
Функционал задачи оптимизации:
Уг'е/цш, Гцш, Vre.Rц \/ге/, VíeГJ Vre.RJ¡ У/'еУ \//е/,
Данная информация будет использоваться при разработке моделей для решения задач эколого-экономического анализа и оптимального синтеза технологических схем очистки нефтеперерабатывающего предприятия. Капитальные затраты на строительство сооружений биохимической очистки нефтеперерабатывающих и нефтехимических предприятий составляют 10-20% общей стоимости предприятия.
Список литературы
1. Карелин, Я.А. Очистка сточных вод нефтеперерабатывающих заводов/ Я.А.Карелин. -М.: Стройиздат, 1982. - 185 с.
2. Пономарев, В.Г. Очистка сточных вод нефтеперерабатывающих заводов/ В.Г.Пономарев. - М.: Химия, 1985. - 256 с.
3. Щицкова, А.П. Охрана окружающей среды в нефтеперерабатывающей промышленности/ А.П. Щицкова и др.. - М.: Химия, 1980. - 176 с.
4. Берне, Ф.Водоочистка/ Ф.Берне, Ж.Кордонье. - М.: Химия, 1997. - 288 с.
5. Яковлев, В.С. Хранение нефтепродуктов. Проблемы защиты окружающей среды/ В.С.Яковлев. - М.: Химия, 1987. - 150 с.
УДК 66.013.7:628.1
Е.В. Заботина, Н.Н. Кулов, О.С. Трушкина, А.В. Школьников
Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН, Москва, Россия Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия
ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ОЧИСТКИ ВОДЫ ОТ НЕФТЕПРОДУКТОВ
One of the methods of water treatment process organizing, based on using chemicals of different actions (coagulants, flocculans, sorbents) is described. The results of research-work dealing with the process intensification by means of effects of ultrasound on chemicals are given. Water purification extent rising under the influence of sonification as well as the results of chemicals structure changes obtained under the ultrasonic action are shown.
Приводится описание одного из способов организации процесса очистки воды от нефтепродуктов, основанного на использовании реагентов разного действия (коагулянты, флокулянты, сорбенты). Изложены результаты исследований, направленных на интенсификацию процесса посредством воздействия ультразвука на реагенты. Показаны увеличение степени очистки воды после проведения ультразвуковой обработки и результаты обследования изменения структуры используемых в очистке реагентов под действием ультразвука.
Очитка воды от загрязнений различной природы была и остаётся важной задачей химической технологии. Широкий спектр загрязнений обуславливает большое количество разработанных методов очистки воды, а всё более ужесточающиеся требования по охране окружающей среды и стремление к созданию в идеале безотходных производств стимулируют проведение работ по их интенсификации.
В технологии очистки воды известен метод гальванокоагуляции. Описание процесса и конструкций аппаратов для его осуществления можно найти в литературе [1, 2, 3]. Суть метода заключается в использовании гальванопары для генерации энергии и осуществления различных электрохимических процессов с целью очистки воды. К достоинствам метода относят возможность использования в качестве материала гальванопары вторичного сырья (металлическая стружка, опилки, высечка), генерацию электроэнергии за счёт разности электрохимических потенциалов без подвода внешней энергии и широкий спектр удаляемых загрязнений. Недостатками считаются малая изученность механизмов и труд-
