CC BY
16
УДК 004.94:66.011:66.021
Гайдамавичюте В.В., Никитин Е.В., Индейкина В. А., Шишканова К.И., Василенко В. А., Филиппова Е.Б., Бродский В. А., Колесников А.В., Кольцова Э.М.
Компьютерное проектирование и моделирование процесса очистки хромсодержащих промышленных отходов
Гайдамавичюте Виктория Владо - студент группы Кс-44; [email protected]; Никитин Егор Владимирович - студент группы Кс-44; Индейкина Виктория Александровна - студент группы Кс-44; Шишканова Ксения Игоревна - студент группы Кс-44;
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.
Проведены работы по созданию цифрового двойника линии очистки промышленных хромсодержащих отходов. В ходе работы создана SD-моделъ, включающая в себя металлоконструкцию, основное оборудование, ёмкости, насосы и трубопровод. Выполнено построение и расчёт термодинамических свойств технологической схемы. Ключевые слова: SD-моделъ, технологическая схема, цифровой двойник, хромосодержащие отходы.
Computer-aided design and modeling of the process of purification of chromium-containing industrial waste
Gaidamavichute V.V., Nikitin E.V., Indeykina V.A., Shishkanova K.I., Vasilenko V.A., Filippova E.B., Brodskiy V.A., Kolesnikov V.A., Koltsova E.M.
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russian Federation
The work has been carried out to create a digital twin of the line for cleaning industrial chromium-containing waste. In the course of the work, a 3D model was created, including a metal structure, main equipment, tanks, pumps and a pipeline. The construction and calculation of the thermodynamic properties of the technological scheme is carried out. Key words: 3D model, technological scheme, digital twin, chromium-containing waste.
Быстрое развитие современной промышленности обычно сопровождается накоплением вредных загрязняющих веществ и тяжелых металлов, что вызывает серьезные проблемы для окружающей среды [1].
Особенно опасные загрязняющие компоненты сточных вод — растворимые соединения шестивалентного хрома, обладающие аллергическим, мутагенным и канцерогенным действиями. Около 40 % стоков гальванического производства составляют хромосодержащие сточные воды. Соединения хрома, кроме гальванических процессов, используют в деревообрабатывающей, металлургической,
стекольной, лакокрасочной и других отраслях промышленности [2].
В настоящее время для очистки хромсодержащих отходов применяют различные промышленные и полупромышленные методы обезвреживания. Наиболее широкое распространение, как в нашей стране, так и за рубежом получил реагентный способ. Относительно низкая стоимость используемых реагентов, простота реализации и хорошая изученность технологии реагентной обработки и, главное, достаточно высокая эффективность обезвреживания высокотоксичных сточных вод обусловили приоритетность данного способа в очистке стоков производств [3].
Для решения задачи обезвреживания хромсодержащих промышленных отходов
специалистами Российского химико-технологического университета им. Д.И. Менделеева разработана технологическая линия по нейтрализации таких веществ, работа которой основывается на реагентном методе очистки [4].
Для проектирования 3D модели линии очистки был выбран программный пакет AutoCAD Plant 3D. Выбор данного программного обеспечения обусловлен следующими преимуществами:
• трубопроводы и компоненты моделируются в полуавтоматическом или ручном режиме;
• имеется настраиваемая библиотека стандартного оборудования;
• возможность использовать внешние ссылки на чертежи конструкций.
Моделирование включало насколько этапов:
• создание металлоконструкции;
• моделирование аппаратов;
• построение трубопровода;
• расстановка насосов и вентилей.
Металлоконструкция создавалась на основе сетки,
которая помогает выравнивать объекты и оценивать расстояние между ними. В данной работе металлоконструкция играет роль площадки
обслуживания. Она состоит из таких конструктивных элементов как непосредственно площадка -пешеходный настил; перила - ограждения по всему периметру для безопасности людей; лестницы для подъема на площадку и перехода на другие площадки; опоры, поддерживающие площадку.
Необходимое для линии обработки хромосодержащих отходов оборудование отсутствует в базе данных программы, поэтому оно было смоделировано по имеющимся размерам. При создании модели оборудования задается его геометрическая информация (высота, диаметр), ориентация и негеометрическая информация (например, метка или описание оборудования).
Смоделированное оборудование было расставлено в соответствии с ранее спроектированным планом размещения. После чего было выполнено моделирование трубопровода, для наглядности трубы были выделены разными цветами в зависимости от протекающего в ней компонента. Линия включает в себя несколько видов труб, отличающихся диаметром: 50мм., 35мм., 25мм., 20мм.
Завершающим этапом 3D моделирования была расстановка насосов и вентилей (рис. 1). Всего данная линия включает в себя 22 насоса.
Г
Рис.1. Модель линии очистки хромсодержащих отходов.
Для построения и расчёта термодинамических свойств технологической схемы был выбран программный пакет Aspen Hysys. Среда Aspen Hysys представляет собой программный пакет, позволяющий моделировать различные технологические процессы в стационарном и динамическом режимах, которые широко применяется как в отечественной, так и в мировой науке для решения широкого спектра задач. Преимуществом Hysys являются термодинамические методы, которые лежат в основе всех технологических расчетов. Встроенные пакеты расчета свойств обеспечивают надежные результаты для расчетов химических сред.
Процесс моделирования состоит из ряда последовательно выполняющихся операций. Прежде всего, необходимо было выбрать компоненты, которые будут использоваться в процессе очистки. Из библиотеки Hysys были взяты 6 компонентов, остальные 12 компонентов были заданы как гипотетические. Для каждого гипотетического компонента в первую очередь выбиралось агрегатное состояние. Также вручную задавались свойства компонентов, такие как молекулярная масса, плотность и теплота образования, остальные параметры рассчитывались программой на основе этих данных. Далее был выполнен подбор термодинамического
пакета, с помощью которого среда Hysys производит полный комплекс расчетов. Каждый
термодинамический пакет или их группа предназначены для расчета определенного класса веществ. В лини очистки используется большое количество разнообразных веществ, поэтому из набора термодинамических пакетов был выбран Extended NRTL (Расширенный NRTL). Математическая форма уравнений обеспечивает модели NRTL большую гибкость, способность описывать самые различные типы зависимости коэффициентов активности от состава. Сохраняя основные достоинства уравнений Вильсона, уравнения NRTL способны также описывать системы с расслаиванием, благодаря чему часто используются для расчета равновесий жидкость -жидкость и жидкость - жидкость - пар.
Используя компоненты, задействованные в линии очистки хромсодержащих отходов, были созданы 4 набора реакций. Для задания реакции указывались используемые в ней компоненты, а также стехиометрические коэффициенты для каждого из них. Реакции были взяты конверсионного типа, что позволило указывать, какая доля реагента вступило в реакцию.
Технологическая схема составлялась из предоставленного в Hysys набора аппаратов и потоков, после чего между ними устанавливалась взаимосвязь. Предлагаемый набор аппаратов содержит большинство используемых в химической промышленности устройств, в данной работе использовались 7 из них: ёмкость, конверсионный реактор, разделитель компонентов, сепаратор твердой фазы (он играл роль декантера), смеситель, разветвитель, теплообменник.
Линия очистки состоит из нескольких частей:
• линия приготовления, хранения и дозирования реагентов;
• линия переработки отходов.
На линии подготовки происходит приготовление 6 растворов: 20 масс % р-р Na2S2O3, 30 масс % р-р H2SO4, 30 масс % р-р NaOH, 3 кг/м3 р-р ПАА-ГС (Superfloc), 100 кг/м3 р-р FeCb, 10 масс % р-р Ca(OH)2, используемые в дальнейшем для нейтрализации хромсодержащих отходов. В качестве аппарата, где происходит смешение компонентов, использовался смеситель. Для потоков, поступающих на вход в смеситель, задавались температура, давление и молярный состав. У выходного потока смесителя указывались массовый состав и массовый расход. Остальные данные рассчитывались автоматически. В ряде случаев дополнительно использовался теплообменник, играющий роль рубашки аппарата, т.к. при приготовлении некоторых растворов происходит выделение или поглощение теплоты (рис. 2). Охлаждение или нагрев смеси в теплообменнике выполнен за счёт потока воды (рис. 3), массовый расход которого рассчитывался с помощью операции Adjust в зависимости от заданной температуры итогового потока. После приготовления раствора она был разделён на необходимое для линии очистки количество потоков. Для удобства построения технологической схемы линия подготовки была оформлена как подсхема.
H2h_3
(, рйон
ПаОН(г-г I
I_Е-101
cWatert^oU NaoHTr.r)Jn
N.40I il r)_1
NaOH(r-r)_4
Рис.2. Спроектированный в Hysysучасток прнготовлення 30 масс %p-pNaOH.
л~| Рабочий лист Производительность 1 Динамика | Кожухотруб (точно.)
Имя NaOH(r-r) NaOH(r-r)_Q cWater_2_in cWater_2_out
Пар 0,1745 0,0000 0,0000 0,0000
Температура [С] 106,2 25,00 25,00 89,91
Давление [кРа] 101,3 101.3 101,3 101,3
Мольный расход [kgmole/h] 26,89 26,89 78,35 78,35
Масс, расход [kg/h] 580.0 580,0 1411 1411
Станд. объем, расх, ид. жидк, [гпЗ/h] 0,5044 0,5044 1,414 1,414
Молярная энтальпия [kJ/kgmole] -3,087е+005 -3,230е+005 -2,849е+005 -2,800е+005
Молярная энтропия [kJ/kgmole-C] 42,86 -7,935 6,559 21,50
Тепловой поток [kJ/h] -8,300е+00б -8,686^+006 -2,232е+007 -2,194^+007
Рис.3. Окно характеристик потоков, задействованных
в теплообменнике.
Одной из частей линии переработки отходов являются реакторы. Всего на линии обезвреживания хромсодержащих отходов было установлено 7 реакторов, некоторые устанавливались параллельно. Для их настройки были заданы потоки, поступающие на вход, выходящий поток жидкости, выходящий поток пара и поток энергии. Также для реакторов задавались объём и уровень жидкости, выбирался пакет реакций. Для расчёта потока энергии у выходного потока указывалась температура. Все остальные значения потоков рассчитывались автоматически. Правильность работы реактора оценивалась по составу выходного потока.
Для моделирования работы декантерных центрифуг в программном обеспечении Aspen Hysys были рассмотрены различные варианты аппаратов для отделения твердых частиц. После сравнения результатов работы всех аппаратов для моделирования данного процесса была предложена система, состоящая из сепаратора твердой фазы и покомпонентного делителя. Сначала поток с пульпой поступает в сепаратор, в котором отделяются твердые частицы гидроксидов металлов (рис. 4), а затем основной поток попадает в разделитель компонентов, в котором выделяется необходимое количество воды на осадок для обеспечения 70% его влажности (рис. 5).
Одиночный сепаратор тв.фазы: D.1_2
Проект I Номинал | Таблица | Динамика |
Проект
Подключения
Параметры
Разбиения
Пользов.перемен.
Прим.
-Тип доли-
1 Контроль по воде
- Разделенные фракции -
Из твердой фазы в пароо Из твердой фазы в жидку Из твердой фазы в кубов! Из жидкой фазы в icyöoBt
0,0000 0,0000
1,0000 0,0000
Рис.4. Окно настройки параметров работы сепаратора твёрдой фазы.
j/apour_D2
э-
JVai»ur_E4 Е4 Waste¡ F4
Рис.5. Спроектированный вHysysучасток для отделения твердых частиц.
В результате, после добавления и расчёта всех элементов схемы был получен выходной поток, очищенный от компонентов, содержащих хром (рис. 6). Итогом данной части работы является технологическая схема с полностью рассчитанными потоками и аппаратами.
Массовые расходы
Superfloc* QQ0Q0
Н20 1439.4087
H2S203 0,0000
NaOH 23439
FeCI3 O.OOOO
NA2S203 0,0000
Ca{QH)2* OOOOO
СгОЗ" 0,0000
CaF2* O.OOOO
Nï(OH)2* 0 0000
Fe(OH)3* 0,0000
Сг(ОН)3* OOOOO
NÍS04* O.OOOO
H2S04 0,0000
NaF*" OOOOO
Н2Сг207"* O.OOOO
Cr2(SG4)3* O.OOOO
Na2S04"* 390,1373
Рис.6. таблица состава итогового выходного потока.
Использование полученной SD-модели, а также термодинамического расчёта технологической схемы поможет спрогнозировать с более высокой степенью достоверности состояние объекта. Также это увеличивает глубину понимания процессов, происходящих в объекте, помогает выявлять слабые звенья и улучшать конструктивные особенности.
Список литературы
1. Jiang В., Niu Q., Li C., Oturan N., Oturan M.A. Outstanding performance of electro-Fenton process for efficient decontamination of Cr(III) complexes via alkaline precipitation with no accumulation of Cr(VI): Important roles of iron species // Applied Catalysis B: Environmental. 2020..
2. Бессонова В. П., Иванченко О. Е. Хром в окружающей среде. Вопросы биоиндикации и экологии. 2011. Т. 16. № 6. C. 13—29.
3. Строшкова А.В. Технологии переработки токсичных хромосодержащих отходов промышленности // Научные исследования и разработки молодых ученых. 2016. с. 243-250.
4. Проблемы обезвреживания и утилизации высокотоксичных техногенных промышленных отходов, их переработка с получением ценных компонентов / В. А. Бродский, Д. А. Сахаров, А. В. Колесников [и др.] // Теоретическая и прикладная экология. 2022. № 4. С. 8895.
