CC BY
2
УДК 004.94:66.087.4
Индейкина В.А., Шишканова К.И., Никитин Е.В., Гайдамавичюте В.В., Василенко В.А., Филиппова Е.Б., Бродский В.А., Колесников А.В., Кольцова Э.М.
Трёхмерная визуализация процесса переработки опасных промышленных отходов
Индейкина Виктория Александровна - студент группы КС-44 кафедры информационных компьютерных технологий; viktoriaindeykina@gmail.com
Шишканова Ксения Игоревна - студент группы КС-44 кафедры информационных компьютерных технологий; Никитин Егор Владимирович - студент группы КС-44; egornikitin2222@gmail.com. Гайдамавичюте Виктория Владо - студентка группы КС-44; mgaivik@yandex.ru.
Василенко Виолетта Анатольевна - к.т.н., доцент кафедры информационных компьютерных технологий; Филиппова Елена Борисовна - к.т.н., доцент кафедры информационных компьютерных технологий; 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 SD-модели технологической схемы переработки кислотно-щелочных промышленных отходов I-II класса опасности. Изучены процессы очистки и спецификации соответствующего оборудования, спроектированы SD-модели аппаратов, приборов и производственная линия в целом с помощью программного обеспечения для технологического проектирования AutoCAD Plant SD компании Autodesk.
Ключевые слова: кислотно-щелочные отходы, утилизация, компьютерное проектирование, трёхмерное моделирование.
Three-dimensional visualization of the process of processing hazardous industrial waste
Indykina V.A, Shishkanova K.I., Nikitin E.V., Gaydamavichute V.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 3D model of the technological scheme for processing acid-base industrial waste of hazard class I-II. Cleaning processes and specifications of the corresponding equipment were studied, 3D models of apparatuses, devices and the production line as a whole were designed using Autodesk's AutoCAD Plant 3D.
Key words: analytical chemistry acid-base waste, recycling, computer design, three-dimensional modeling.
Неотъемлемой частью любого производства являются остатки материалов и сырья, которые утратили начальные свойства. Такие материалы принято называть техногенными отходами. Эти отходы содержат токсичные вещества, повышенные концентрации которых в организме человека могут вызвать серьезные проблемы со здоровьем и принести непоправимый урон окружающей среде. Анализ показал необходимость переработки следующих жидких отходов: отработанные кислоты; остатки щелочных реагентов; растворимые соединения шестивалентного хрома, обладающие аллергическим, мутагенным и канцерогенным действиями; циансодержащие сточные воды с высокой токсичностью вследствие наличия свободного циана, синильной кислоты и цианистых комплексов металлов. Данные отходы являются близкими к тем, которые образуются в гальванических производствах и в производствах неорганических материалов [1]. Жидкие кислотно--щелочные отходы - наиболее распространённый тип отходов предприятий машиностроительной и металлообрабатывающих
отраслей промышленности.
Наиболее часто используемые методы - методы очистки, совмещающие реагентные,
электрохимические, мембранные и сорбционные методы [2]. Электрохимические технологии считаются более компактными, результативными и соизмеримы по стоимости с другими технологиями. В определенных случаях электрохимические технологии могут быть незаменимы в очистке отходов. Одним из наиболее актуальных и перспективных методов электрохимической очистки сточных вод является электрофлотация [3].
Для решения задачи обезвреживания отходов Ы1 класса опасности специалистами Российского химико-технологического университета им. Д.И. Менделеева разработана технологическая линия по нейтрализации кислотно-щелочных отходов, работа которой основывается на реагентном методе очистки. Для проектирования данной технологической линии были внедрены установки по извлечению ионов металлов, нефтепродуктов, масел и ПАВ из водных растворов [4]. Установки представляют собой
комплекс основного и вспомогательного оборудования.
Предложенная технологическая схема включает три основные стадии: две стадии реагентной обработки I и II и стадию доочистки III.
Данная работа является частью проекта по разработке цифрового двойника технологического процесса утилизации кислотно--щелочных отходов, его первый этап, включающий в себя анализ и создание 3D модели технологических линий по переработке кислотно-щелочных отходов. При разработке цифрового двойника можно придерживаться следующих этапов:
1) разработка концепции и технологии производства;
2) выбор оборудования;
3) двумерное проектирование технологических линий;
4) разработка трёхмерных моделей технологических линий;
5) разработка компьютерных моделей технологических схем;
6) оптимизация этих схем, разработка автоматизированной системы управления технологическим процессов (АСУТП);
7) перенос трёхмерных моделей технологических линий в виртуальное пространство;
8) разработка программного обеспечения, связывающего все модули в единую систему.
Для выполнения данной задачи был использован программный пакет AutoCAD Plant 3D. Выбор данного программного обеспечения обусловлен следующими преимуществами:
1) содержится библиотека стандартного оборудования;
2) трассировка трубопроводов производится в полуавтоматическом или ручном режиме;
3) использование готовых файлов DWG, которые были созданы в других продуктах;
4) возможность использования внешних ссылок на чертежи конструкций.
Создание трёхмерной модели технологической линии включало несколько этапов:
1) создание сетки, фундамента и металлоконструкции (площадки обслуживания, лестницы, ограждения);
2) моделирование оборудования, как с использованием параметрических шаблонов, стандартной библиотеки, так и созданием нового пользовательского в других cad приложениях, с последующим экспортом в проект AutoCAD Plant 3D;
3) построение трубопроводных обвязок;
4) расстановка насосов, вентилей и контрольно-измерительных приборов.
В первую очередь была создана сетка с геометрическими размерами моделируемого объекта с указанием уровня высот (рис. 1).
Рис. 1. Сетка.
Далее на сетке конструируется фундамент и металлоконструкция, являющаяся площадкой обслуживания. Для начала был спроектирован пешеходный настил, балки и фундамент для поддержания платформы (рис. 2).
i"" Л !
Рис. 2. Фундамент и металлоконструкция. Затем были спроектированы лестница для подъема на платформу с целью обслуживания оборудования и перила по периметру платформы
(рис. 3).
+5000
Рис. 3. Лестница и перила.
Так же были сконструированы следующие виды оборудования:!) емкость; 2) реактор; 3) декантерная центрифуга; 4) контейнер саморазгружающийся; 5) электрофлотатор; 6) вытяжной зонт; 7) фильтрационная колонна; 8) фильтр-пресс. Общее количество аппаратов составило 24 единицы.
Одним из видов оборудования является вертикальный реактор с коническим днищем, который изображен на рис. 4. Для начала был спроектирован корпус, представляющий собой соединенные цилиндр и конус. Далее была создана крышка, на которой располагаются двигатель и штуцеры. И наконец, были построены опоры под реактор. Аппарат был спроектирован в соответствии с заданной спецификацией и с заданными размерами.
4V,,
регулирования расхода жидкости, которая подается при помощи насосов из емкостей в реакторы.
а б
Рис. 4. Реактор с коническим днищем: а -промышленный аналог, б - смоделированный объект.
Остальные аппараты были построены аналогичным образом.
Далее всё сконструированное ранее оборудование было расставлено на площадке обслуживания согласно разработанной ранее конструкторской документации (рис. 5).
Рис. 5. Расставленные аппараты на площадке обслуживания.
Следующим этапом стала трассировка труб. Цвет труб зависит от потока, который идет в данной трубе. Желтым цветом обозначен флокулянт, тёмно-синим -едкий натр, коричневым - серная кислота, зелёным -коагулянт, голубым - оборотная вода, синим -щелочные растворы, красным - кислые растворы (рис. 6). А после в соответствии с заданным расположением были добавлены насосы и вентили.
+5000
Рис. 6. Трассировка труб линии переработки кислотно-щелочных отходов.
Также на технологической схеме были установлены контрольно-измерительные приборы, которые включают в себя расходомеры и уровнемеры. На рис. 7 представлен пример одного из приборов - расходомера, предназначенного для
Рис. 7. Контрольно-измерительные приборы. Итоговая спроектированная трёхмерная модель всей технологической линии переработки кислотно-щелочных отходов изображена на рис. 8.
Рис. 8. SD-модель технологической линии переработки кислотно-щелочных отходов.
В результате выполнения всех этапов проектирования была создана трёхмерная модель, визуализирующая производственную линию переработки кислотно-щелочных отходов, в соответствии с технологией, разработанной в РХТУ им. Д.И. Менделеева. После завершения всех остальных этапов разработки цифрового двойника данная трёхмерная модель, как отдельный его модуль, будет инсталлирована на платформу Unity с целью представления технологической схемы по переработке кислотно-щелочных отходов в виртуальной реальности.
Список литературы
1. Бродский В.А., Колесников А.В., Малькова Ю.О., 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. 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.
