CC BY
19
УДК 004.94: 66.011: 66.021
Никитин Е.В., Гайдамавичюте В.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 циансодержащих промышленных отходов
Никитин Егор Владимирович - студент группы КС-44; [email protected]. Гайдамавичюте Виктория Владо - студентка группы КС-44; Индейкина Виктория Александровна - студентка группы КС-44; Шишканова Ксения Игоревна - студентка группы КС-44;
Василенко Виолетта Анатольевна - к.т.н., доцент кафедры информационных компьютерных технологий; [email protected]
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.
Проведены работы по компьютерному проектированию и моделированию технологической линии по обезвреживанию промышленных циансодержащих отходов, разработанной в Российском химико-технологическом университете имени Д. И. Менделеева. Трехмерное проектирование выполнено при помощи инструментальной системы AutoCAD Plant 3D компании Autodesk, моделирование технологического процесса реализовано с использованием термодинамического программного пакета Aspen Hysys компании AspenTech.
Ключевые слова: жидкие техногенные отходы, промышленные технологии утилизации отходов, компьютерное проектирование, цианид.
Computer-aided design and modeling of cyanide-containing industrial waste treatment process
Nikitin E.V., Gaidamavichute V.V., Indekina V.A., Shishkanova K.I., 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
Computer-aided design and modelling of the process line for neutralisation of industrial cyanide-containing waste developed at the Russian University of Chemical Technology named after D.I. Mendeleyev has been carried out. 3D design has been performed by means of AutoCAD Plant 3D tool system of Autodesk company, simulation of technological process has been implemented by means of Aspen Hysys thermodynamic software package of AspenTech company.
Key words: liquid technogenic waste, industrial waste disposal technologies, computer-aided design, cyanide.
Введение
В настоящее время утилизация отходов является весьма актуальной проблемой. Утилизация токсичных отходов путем сжигания и захоронения уже не имеет смысла в современном мире, который ищет инновационные методы переработки отходов. Требования современной защиты окружающей среды требуют экологически безопасного продукта, который, благодаря своему качественному составу и свойствам, может быть переработан или повторно использован без ущерба для окружающей среды. Обеспечение экологической безопасности особенно важно, когда дело касается токсичных отходов, особенно отходов, содержащих цианид, который относится к Ш классам опасности и представляет еще большую потенциальную опасность для окружающей среды.
Наблюдение за концентрацией цианида в почве представляет интерес с начала 20-го века. По всему миру установлены нормативы предельно допустимой концентрации цианида в связи с его токсичностью. Поэтому детоксикация и утилизация цианидов вызывают все большее беспокойство со стороны исследователей и регулирующих органов горнодобывающей промышленности во всем мире [1]. Основными источниками появления цианидов в окружающей среде являются металлургическая и горнодобывающая (добыча золота, серебра и др.) промышленности. Цианид также является частью отходов в сточных водах таких отраслей, как коксохимическое производство, лакокрасочная промышленность, нефтепереработка, производство взрывчатых веществ, автомобилестроение, производство печатных плат, химическая
промышленность, производство пестицидов и производство синтетических волокон и т.д. [2].
Для обезвреживания циансодержащих отходов используются общепринятые в мировой практике методы, а именно реагентная обработка и утилизация отходов с переводом загрязняющих веществ в форму малорастворимых соединений. Для отделения взвешенных веществ осадков используют методы фильтрации, декантации и флотации. С целью обессоливания воды и получения ценных компонентов используют выпарные и кристаллизационные установки [3]. Кроме этого, специалисты РХТУ имени Д.И. Менделеева разработали, испытали и внедрили целый ряд систем регенерации отработанных растворов травления чёрных и цветных металлов, высокотоксичных электролитов хромирования и кадмирования [4].
Целью данной работы является компьютерное проектирование трехмерной модели и создание термодинамической модели утилизации
циансодержащих отходов, расчет материального и теплового балансов технологической схемы.
Практическая часть
1. 3D проектирование технологической схемы
Первым шагом работы было 3D проектирование технологической схемы процесса утилизации, которое включало в себя несколько этапов:
• составление спецификации по необходимому технологическому оборудованию;
• проектирование структурной сетки и металлоконструкции;
• разработка трехмерных моделей технологических аппаратов и оборудования;
• построение трубопроводов различных диаметров между технологическим оборудованием;
• расположение насосного оборудования и запорной арматуры.
Для выполнения этой задачи была выбрана инструментальная система AutoCAD Plant 3D, так как ее функциональные возможности позволяют создавать схемы и трехмерные модели объектов различной сложности, а организация работы осуществлена таким образом, что при создании объекта происходит формирование документации, что, в свою очередь, позволяет обеспечить согласованность данных и связей системы.
До размещения структурных объектов необходимо было создать структурную сетку, которая упростила работу и ориентирование в трехмерном пространстве. На ее основе проектировалась металлоконструкция площадки обслуживания для персонала, которая состоит из нескольких конструктивных элементов: пешеходный настил; опоры, поддерживающие площадку; лестница для подъема на площадку и перила для безопасности персонала.
В соответствии с планом размещения и заказной спецификацией технологического оборудования были смоделированы следующие аппараты (рис.1): ёмкости Е1, Е3, Е4; контейнер Е2; реакторы Р1, Р2, Р3 и декантерная центрифуга Д1. При создании модели оборудования необходимо определить его геометрические параметры, местоположение, ориентацию и дополнительную атрибутивную информацию (например, метку или описание оборудования).
\ • < у V
Емкость Е1 Контейнер Е2 Емкости ЕЗ, Е4 Реакторы Р1. Р2 Реактор РЗ
Рис.1. Модели технологического оборудования.
Декантерная центрифуга Д1
Для соединения аппараты между собой трубопроводами, на корпусе трехмерных моделей необходимо было сначала установить, согласно принципиальной схеме линии утилизации, штуцеры с соответствующими диаметрами 50 мм, 35 мм, 25 мм, 20 мм. Далее было произведено проектирование трубопровода, включая расстановку насосного оборудования и запорной арматуры. Для наглядности трубопроводы были выделены различными цветами в зависимости от протекающего в них вещества.
Итоговая трехмерная модель линии утилизации циансодержащих отходов представлена на рис.2.
Рис.2. Трехмерная модель линии утилизации циансодержащих отходов
2. Компьютерное моделирование
технологической схемы
Компьютерное моделирование технологической схемы процесса утилизации было вторым шагом работы, которое также включало в себя несколько этапов:
• составление материального и теплового балансов технологической схемы;
• создание списка компонентов, набора реакций и вектора входных переменных линии утилизации;
• моделирование линии подготовки потоков технологической схемы;
• моделирование линии утилизации циансодержащих отходов;
• расчет мощности насосов технологической схемы.
Для выполнения этой задачи был выбран программный пакет Aspen Hysys, который представляет собой программную среду, позволяющую моделировать различные
технологические процессы в стационарном и динамическом режимах. Система представляет собой пакет модулей, предназначенный для расчета химико-технологических схем, содержащих массообменную и теплообменную аппаратуру, трубопроводы, реакторы и т.д. Встроенные термодинамические пакеты обеспечивают надежные результаты для расчетов химических сред.
При составлении материального баланса учитывались все производственные потери, вследствие чего количество реагентов, поступающих после линии подготовки, больше, чем это необходимо для получения заданного количества продукта. Тепловой баланс рассчитывался по закону Гесса по данным материального баланса с учетом тепловых эффектов химических реакций (экзотермических и эндотермических) с учетом подвода теплоты извне и отвода ее с продуктами реакции.
Прежде всего необходимо было выбрать компоненты, которые будут использоваться в системе. Из библиотеки Hysys были взяты 6 компонентов, остальные 11 компонентов были заданы как гипотетические. Для каждого гипотетического компонента вручную задавались свойства, такие как молекулярная масса, плотность и теплота образования, остальные параметры компонента рассчитывались программой на основе этих данных. Также был выбран термодинамический пакет - Extended NRTL, так как математическая форма уравнений обеспечивает модели Extended NRTL большую гибкость, способность описывать самые различные типы зависимости коэффициентов активности от состава.
Используя компоненты, задействованные в линии очистки циансодержащих отходов, были созданы два набора реакций: первый для реакторов Р1, Р2, а второй для реактора Р3. Для моделирования реакции необходимо было указать используемые в ней компоненты и их стехиометрические коэффициенты. Все реакции были выбраны конверсионного типа, что
позволило указывать долю прореагировавшего компонента.
В предлагаемой Hysys кассе объектов отсутствуют некоторые необходимые в данной работе аппараты, но она содержит базовые объекты, благодаря комбинации которых была смоделирована работа отсутствующего стандартного оборудования. В данной работе использовались девять базовых объектов: материальный поток, энергетический поток, смеситель, разветвитель, ёмкость, конверсионный реактор, теплообменник, сепаратор твердой фазы, разделитель компонентов, насос и трубопровод.
На линии подготовки происходит приготовление трех растворов: 30 масс % р-р NaOH, 15 масс % р-р NaClO ГОСТ Р 57568-2017, 30 масс % р-р H2SO4, используемые в дальнейшем для окисления циансодержащих отходов. Так как растворение гидроксида натрия в воде является экзотермическим процессом, то необходимо установить теплообменник, моделирующий рубашку реактора, в которую подается оборотная вода для охлаждения (рис. 3). Операция "Adjust" используется для подбора массового расхода оборотной воды для обеспечения регулирования температуры раствора. У входных потоков задавались температура, давление и молярный состав, а у выходного потока из смесителя, представляющего собой реактор, указывались массовый состав и массовый расход. Для удобства построения технологической схемы линия подготовки была оформлена как подсхема.
ADJ-1
Рис.3. Линия приготовления, хранения и дозирования реагентов (на примере NaOH)
Всего на линии переработки циансодержащих отходов находятся три реактора Р1, Р2 и Р3. Реакторы Р1 и Р2 установлены параллельно и к ним в рубашку подается оборотная вода для нагревания раствора, поэтому при моделировании такого процесса был добавлен теплообменник для регулирования температуры внутри реактора. Для реакторов задавались объём и уровень жидкости, выбирался заранее созданный пакет реакций, а также устанавливался тепловой поток, который был рассчитан ранее на этапе составления теплового баланса.
Помимо реакторов на схеме также установлена декантерная центрифуга Д1. Для моделирования ее работы было апробировано множество аппаратов отделения твердых частиц. После сравнения результатов работы всех аппаратов была предложена система для моделирования данного процесса -сначала поток с пульпой поступает в сепаратор твердой фазы, в котором отделяются твердые частицы гидроксидов металлов, а затем основной поток попадает в разделитель компонентов, в котором
выделяется необходимое количество воды на осадок для обеспечения 70% его влажности.
Также на схеме установлены четыре насоса перед вертикальным подъемом трубопровода Н1, Н2, Н3 и Н4. Для моделирования такого участка трубы и регулирования перепада давления после подъема использовались объекты: трубопровод и операция "Adjust" (рис.4). В трубопроводе указывались: длина и наклон трубы, а также внешний и внутренний диаметры трубы. Операция "Adjust" использовалась для подбора такой мощности насоса, при которой давление после подъема трубопровода оставалось неизменным. Таким образом, были получены оптимальные мощности для каждого насоса, необходимые для поддержания стабильного уровня давления в системе.
Q_H4
Рис.4. Пример моделирования расчета мощности насоса Н4
В результате, после добавления и расчёта всех элементов схемы был получен выходной поток, очищенный от компонентов, содержащих циан. Полностью смоделированная схема представлена на
рис.5.
Рис.5. Термодинамическая модель линии утилизации циансодержащих отходов
Использование полученной трехмерной модели, а также термодинамического расчёта технологической схемы поможет спрогнозировать в будущем состояние объекта с более высокой степенью достоверности. Также это увеличивает глубину понимания процессов, происходящих в объекте, помогает выявлять слабые звенья и улучшать его конструктивные особенности.
Заключение
В статье представлены этапы 3D проектирования и компьютерного моделирования технологической схемы процесса утилизации циансодержащих отходов при использовании инструментальной системы AutoCAD Plant 3D и программного пакета Aspen Hysys. Была получена трехмерная модель линии утилизации циансодержащих отходов, в ее основе лежит составление спецификации оборудования, построение трубопроводов и расположение оборудования на структурной сетке. На основе материального и теплового балансов технологической схемы, соответствующего набора химических реакций и моделирования линии
подготовки потоков создана термодинамическая модель линии утилизации циансодержащих отходов.
Список литературы
1. The detoxification and utilization of cyanide tailings: A critical review. / Kaiwei Dong, Feng Xie, Wei Wang, Yongfeng Chang, Diankun Lu, Xiaowei Gu, Chunlin Chen // Journal of Cleaner Production. 2021.
2. Treatment of metal cyanide bearing wastewater by simultaneous adsorption and biodegradation (SAB). / Rajesh Roshan Dash, Chandrajit Balomajumder, Arvind Kumar // Journal of Hazardous Materials. 2008. pp. 387396
3. Техногенные отходы I-II классов опасности -ресурс для получения вторичных продуктов / А.Г. Мажуга, В.А. Колесников, Д.А. Сахаров, М.В. Корольков // Теоретическая и прикладная экология. -2020. - № 4. - С. 61-67.
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. 88-95.
