Технико-экономический анализ системы водоподготовки Ледового дворца на Ходынском поле Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

иу()жс1ыЬ ЗжйехЬ

Продольная их и поперечная иу компоненты скорости в пленке находятся из совместного решения уравнений Навье -Стокса и неразрывности потока и имеют вид:

их =§^-У!) иу=иу0-^у=| (7)

Учитывая распределение скорости по высоте внутреннего мембранного канала и используя уравнения (7), получим зависимость толщины стекающей пленки от вертикальной координаты г:

1/

5 =

3 -и- din z 1 а 2. ' 3

bz - 2(2Х0z - z )

4 , .................. (8)

4-р-Лех ■ ш

Дальнейшее описание процесса состоит в численном решении уравнения конвективной диффузии с найденными компонентами скорости (7) для вычисления распределения концентрации десорбируемого компонента в пленке:

д(«хС)+дМ=(9)

дх ду ду2

Для решения уравнения были выбраны следующие граничные условия: у, х=0; е=Ст ( начало образования плёнки)

у=0, х>0; с=сг„ (граница наружной поверхности керамической мембраны) у=$Х), х>0 с=с,(внешняя граница плёнки)

Таким образом, решая численно уравнение (9) в квазистационарном приближении можно вычислить профили концентраций десорбируемого компонента в стекающей пленке с(т^) и определить его содержание в нижней части пленки ёк(тк) (очищенный продукт):

Зк

с( ТккАУ

I

I

ж,ыу

0

Отметим в заключение, что эксперименты по регенерации технологических жидкостей на основе минеральных масел с помощью моделируемого совмещенного микрофильтрационно-десорбционного процесса доказывают его высокую эффективность [2].

Работа выполнена в РХТУ им. Д.И. Менделеева при поддержке компании ВР в рамках программы "Великие университеты мира" и при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект №06-03-32963а).

УДК 628.16.081: 682.6596

С.А. Ершов, Е.А. Янина, И.К. Кузнецова, Е.А. Дмитриев

Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия

ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ СИСТЕМЫ ВОДОПОДГОТОВКИ ЛЕДОВОГО ДВОРЦА НА ХОДЫНСКОМ ПОЛЕ.

The article is devoted to optimization of flow diagram of water-preparation at reception of an ice for sports complexes. A techno-economic operational analysis of separate devices and units of this system and

evaluation test of received water has allowed to reduce some amount of the used equipment, and also to reduce the total product cost of treated water.

Данная статья посвящена оптимизации технологической схемы водоподготовки для получения качественного льда. Техно-экономический анализ работы отдельных аппаратов и узлов этой системы и оценка качества получаемой воды позволил несколько сократить количество используемого оборудования, а также уменьшить себестоимость очищенной воды.

Определяющим фактором получения качественного льда спортивных сооружений является чистота воды. В качестве исходного сырья в системе водоподготовки Ледового дворца на Ходынском поле в г. Москве используется вода городского водопровода. Показатели качества этой воды должны удовлетворять нормативам на питьевую воду. Как правило, эта вода соответствует гигиеническим требованиям, однако содержание солей, свободного и связанного хлора, органических соединений и газосодержание не одинаково в разное время года и даже суток. Поскольку характеристики льда сильно зависят от этих факторов, требуется система водоподготовки, обеспечивающая стабильное качество воды. Кроме того, для создания льда, соответствующего требованиям разных видов спорта, необходима вода различных параметров, а именно:

- умягченная вода (мутность - не более 0,5 мг/л; содержание остаточного хлора -менее 0,1 мг/л; жесткость - не более 0,5 мг/л, содержание общего железа - не более 0,3 мг/л; сухой остаток - не более 1000 мг/л; перманганатная окисляемость - менее 5,0 мг/л);

- вода после обратноосмотического обессоливания (с параметрами, соответствующими характеристикам умягченной воды, кроме: общая минерализация -не более 10 мг/л);

- вода после мембранного дегазатора (с параметрами, соответствующими характеристикам воды после обратноосмотического обессоливания, кроме: содержание кислорода - не более 2 мг/л; содержание углекислоты - не более 4 мг/л).

- вода после фильтра-деионизатора (фильтра смешанного действия) (с параметрами, соответствующими характеристикам воды после мембранного дегазатора, кроме: общая минерализация - не более 1 мг/л).

Основными стадиями схемы водоподготовки производительностью 5 м3/час в Ледовом дворце на территории Ходынского поля являются следующие:

1. Стадия предварительной очистки воды:

- очистка воды от грубых механических частиц (> 800 мкм) на фильтрах-грязевиках;

- хлорирование воды с помощью гипохлорита натрия с целью доокисления железа и обеззараживания воды;

- осветление на механическом обезжелезивающем напорном фильтре;

- удаление остаточного хлора, органических веществ, в том числе хлорорганики, на угольном фильтре.

2. Стадия получения очищенной воды:

- снижение содержания солей жесткости на ионообменном умягчителе;

- фильтрование на патронном фильтре для задержания продуктов истирания частиц ионообменника перед обратным осмосом;

- обеззараживание воды на ультрафиолетовом стерилизаторе;

- получение очищенной деминерализованной воды на установке обратного осмоса;

- накопление очищенной воды в емкостях для бесперебойной работы заливочных машин.

3. Стадия глубокой очистки воды:

- очистка воды после насосной станции на патронном фильтре (размер пор 5 мкм);

- удаление растворенного кислорода и углекислого газа в мембранном вакуумном деаэраторе;

- полное удаление солей из воды на ионообменнике для глубокой деминерализации;

- фильтрация воды на патронном фильтре от частиц истирания.

Данная система подготовки воды для заливки льда спроектирована с использованием как традиционных (механическая фильтрация, адсорбционная очистка, ионный обмен), так и сравнительно новых методов очистки (обеззараживание ультрафиолетовым излучением, обратный осмос, мембранная деаэрация).

Однако на основе детального рассмотрения основных узлов схемы очистки воды для приготовления высококачественного льда и результатов анализа воды на входе в систему и после отдельных узлов можно сделать следующие заключения:

1. В механическом фильтровании воды московского водопровода с помощью фильтра-грязевика нет необходимости, т.к. в питьевой воде не содержится столь крупные частицы.

2. Узел пропорционального дозирования гипохлорита натрия можно исключить, т.к. исходная водопроводная вода прошла бактерицидную обработку на станциях водоочистки. Кроме того, в схеме предусмотрено наличие ультрафиолетового стерилизатора, который быстро, эффективно, безреагентно воздействует на все виды бактерий и обеззараживает воду. Использование узла доокисления железа и предварительного обеззараживания воды в предлагаемом варианте создает дополнительные трудности, связанные с затратами на закупку и хранение реагента, образованием сточных вод и строгим соблюдением правил техники безопасности при работе и хранении гипохлорита натрия. Кроме того, остаточный хлор, находящийся в воде после ее обработки предложенным методом, может отрицательно повлиять на работу узла обратного осмоса. В мембранных модулях узла обратного осмоса используются полиамидные тонкослойные мембраны, которые очень чувствительны к остаточному хлору по причине разрушения амидной группы полимера.

3. Узел механической фильтрации воды предназначен для удаления механических примесей, органического ила и ржавчины. Согласно результатам анализов содержание общего железа в исходной воде составляет 0,02 ^ 0,07 мг/л, что соответствует требованиям эксплуатации угольного фильтра и ионообменного фильтра умягчения, где максимальное содержание железа и марганца не должно превышать 0,1 мг/л. Отсутствие узла механической фильтрации не приведет к ухудшению качества воды.

4. Вследствие низкого содержания органических соединений в водопроводной воде, основная цель применения угольных фильтров состоит в удалении хлора. Но, поскольку он практически не сорбируется углем, то применение данной ступени очистки воды возможно в ситуации аварии на станциях водоочистки, а также в осеннезимний период, когда возможно ухудшение качества водопроводной воды.

Из вышеизложенного следует, что в обычных условиях качество водопроводной воды вполне удовлетворительное, и применение оборудования стадии предварительной очистки нецелесообразно.

На настоящий момент в Ледовом дворце на Ходынском поле используется только умягченная вода и вода после обратного осмоса, которая удовлетворяет всем требованиям для получения качественного льда для хоккея: жесткость - 0 мг-экв/л; содержание общего железа - 0 мг/л; содержание свободного хлора 0,05-0,08 мг/л; общая минерализация - 2-3 мг-экв/л; концентрация кислорода - 10 мг/л; концентрация углекислоты -45мг/л; мутность - 0 мг/л; РН - 8,11-8,45.

Однако для соревнований по фигурному катанию, шорт-треку и керлингу, которые также будут проводиться в данном спортивном комплексе, требуется вода более высокого качества. Для получения этой воды необходимо использовать глубокую очистку воды, основными узлами которой является удаление растворенного кислорода и углекислого газа в мембранном вакуумном деаэраторе и удаление солей из воды на ионообменнике для глубокой деминерализации.

На основе техно-экономического анализа разработана схема получения воды для получения льда для спортивных соревнований по хоккею на льду, представленная на рисунке 1. Данная схема является наиболее упрощенным вариантом, она содержит

лишь вторую стадию - подготовку очищенной воды. При необходимости получения воды более высокого качества в данную схему необходимо включить третью стадию -глубокую очистку воды.

Рис. 1. Технологическая схема водоподготовки для получения льда для спортивных соревнований по хоккею на льду. РИ1-расходомер импульсный; Н3-5 насос центробежный; ФУм1-2 - фильтр умягчения; УФ1-2 - ультрафиолетовый стерилизатор; ЕР2- емкость реагентная; ФП1-4 - фильтр патронный; ММ1-8 - мембранный модуль; Е1-3 - емкость накопительная.

Основное оборудование технологической схемы (Рис.1) - это фильтр умягчения и патронный фильтр, ультрафиолетовый стерилизатор и мембранный модуль. Фильтр умягчения ФУм - это Л-катионитовый ионообменный фильтр, представляющий собой практически нерастворимую в воде сильнокислотную катионобменную смолу (сополимер стирол-дивинилбензола) в натриевой форме, катионы которой способны вступать в определенных условиях в растворе в обменную реакцию с эквивалентным количеством катионов кальция и магния. Очищенная от солей вода проходит через ультрафиолетовый стерилизатор УФ, обеззараживающий ее путем облучения ртутнокварцевой лампой с длиной волны 254 нм. Для удаления частиц ионита перед обратноосмотической установкой находится патронный фильтр ФП с поверхностью не менее 1,54 м2, задерживающий частицы более 30 мкм. Фильтрующий материал патронного фильтра устойчив к воздействию бактерий и большинства химикатов, что позволяет широко применять эти картриджи при невысоких расходах воды.

Наиболее сложным и ответственным узлом в схеме очистки является обратноосмотическая деминерализационная установка. Узел обратного осмоса ММ обеспечивает производительность до 2000 л/ч при температуре 15 0С. Установка укомплектована 5-микронным механическим предфильтром для защиты насоса и мембран от механических примесей. Разделение осуществляется на высокоселективных обратноосмотических рулонных мембранных элементах с полиамидными тонкослойными композитными мембранами при рабочем давлении 10-12 бар. Рулонный элемент имеет размеры: диаметр - 4.0", длина - 40". Последнее поколение мембран на основе полиамидных пленок удаляет 96-98% неорганических ионов вместе с неорганическими и органическими примесями молекулярным весом более 100.

Стоимость технологической схемы производства воды для получения льда для спортивных соревнований по хоккею на льду составляет с учетом монтажа 230182 евро, что значительно ниже, чем в случае традиционной схемы водоподготовки,

включающей все три стадии водоподготовки (336820 евро). Уменьшение затрат на оборудование на 31,6 % для варианта технологической схемы, представленной на Рис.1, по сравнению с исходным связано с отказом от части оборудования, не приводящим к ухудшению качества воды.

Себестоимость очищенной воды по исходной схеме составляет 112 евро/м . Себестоимость воды по схеме водоподготовки для получения хоккейного льда, равна 76,7 евро/м . Годовая экономия при этом составит 53 319 евро или 1 866 160 рублей.

Основными статьями затрат в структуре себестоимости являются расходы на оборудование. Поскольку объем получаемой продукции мал и составляет около 1500 м /год, то себестоимость продукции очень велика. Исходное сырье (водопроводная вода) не является дорогим, поэтому изменение схемы, удаление части неиспользуемого оборудования приводит к резкому удешевлению продукции.

На основании техно-экономического анализа схемы водоподготовки при получении льда для крытых спортивных сооружений можно сделать вывод, что в стадии предварительной очистки нет необходимости, т.к. сырье - вода городского водопровода - является достаточно чистой. Вторая стадия - получение очищенной воды - необходима для производства льда всех видов и во многих случаях дает продукт, полностью удовлетворяющий требованиям (в частности, при изготовлении льда для спортивных соревнований по хоккею). Потребность в глубокой очистке может возникнуть при расширении круга спортивных соревнований Ледового дворца на Ходынском поле. Полностью обессоленная и дегазированная вода необходима для заливки льда с высокими коэффициентами скольжения. Проведенная нами оценка технологической схемы получения очищенной воды показала, что возможно сокращение некоторой части оборудования без ухудшения качества продукта, и снижение себестоимости воды.

УДК 536.62

Ю.И. Беляев, О.Н. Вепренцева, А.В. Гринюк

Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева Новомосковский институт (филиал), Новомосковск, Россия

ЭКСПРЕСС МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ ТЕПЛОЕМКОСТИ ТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ

Описан метод, позволяющий проводить измерение удельной теплоемкости образцов с различной формой (цилиндры, пирамиды, пластины) и геометрическими параметрами (с высотой, и диаметром, длиной сторон) в диапазоне от 0.1 до 3 Дж/кг*К с точностью в 3%, за время от 20 сек - 15 минут, в зависимости от параметров образца. На основе предложенного метода разработан быстродействующий измеритель теплоемкости, который является малогабаритным измерительным модулем (вес 3 кг), подсоединяемым к ПК через USB-интерфейс.

The method is described, allowing to spend measurement of a specific thermal capacity of samples with the various form (cylinders, pyramids, plates) and geometrical parameters (with height, and diameter, length of the parties) in a range from 0.1 up to 3 kJ/kg*K with accuracy to 3 %, in time from 20 second - 15 minutes, depending on parameters of the sample. On the basis of the offered method the high-speed measuring instrument of a thermal capacity is developed, which is the small-sized measuring module (weight of 3 kg), connected to the personal computer through the USB-interface.

С развитием новых технологий и повышением требований к используемым материалам и веществам, возникла необходимость создания точных и удобных в использовании методов определения за считанные минуты теплофизических свойств материалов и изделий.