CC BY
24
УДК: 504 (621.35+628.54)
Е.С. Лиманская*, Б.В. Ермоленко
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20 , корп. 1,
*e-mail: lena-limanskaj [email protected]
НЕКОТОРЫЕ ПОДХОДЫ К СИСТЕМНОМУ ПРОЕКТИРОВАНИЮ ЭКОЛОГИЧЕСКИ «БЕЗОПАСНЫХ» ГАЛЬВАНИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ
Проведен анализ гальванического производства как объекта эколого-экономической оптимизации. Сформулирована задача оптимального эколого-экономического проектирования «безопасного» гальванического производства с использованием методов системного анализа и оптимизационных математических моделей. Задача сформулирована как задача частично-целочисленного линейного программирования. Приведена укрупненная блочная структура математического описания объекта оптимизации. Особое внимание уделено подсистеме охране (защиты) окружающей среды и ресурсосбережения. Указано на наличие эффективного программного продукта, позволяющего решать поставленную задачу.
Ключевые слова: безопасное гальваническое производство; эколого-экономическое проектирование; оптимизация; структура математического описания; охрана окружающей среды; ресурсосбережение; программный продукт
Технологии нанесения гальванических покрытий применяются практически во всех отраслях промышленности. В Российской Федерации на сегодняшний день по оценке специалистов существует около 7000 таких цехов. Гальваническое производство является одним из крупнейших потребителей цветных металлов и воды, достаточно дорогих химических реактивов. В процессе работы гальванических цехов образуется большое количество сточных вод, представляющих собой в основном промывные воды после ванн электролиза. По оценкам экспертов, промывке деталей в сточные воды выносится до 70 % электролитов. Помимо промывных вод в гальваническом цехе существует еще два типа стоков: воды ванн улавливания и отработанные растворы электролитов.
Различаются все типы стоков местом образования и концентрацией веществ. В состав электролитов входят многие высокотоксичные вещества, такие как ионы тяжелых металлов, хром, цианиды. Поэтому проблема сокращения количества промывных сточных вод и их эффективной очистки является очень актуальной.
Количество стоков на предприятии и возможностей изменения их составов достаточно велико. Так для каждой основной технологической операции может существовать несколько видов допустимых к применению технологических растворов. Ведутся разработки и новых более эффективных растворов, которые в ближайшем будущем расширят множество возможных альтернатив. Вспомогательные операции каждой стадии (улавливание и промывка) уже сейчас могут быть реализованы с использованием более двадцати различных схем, каждая из которых характеризуется разным водопотреблением и, соответственно, образованием разного количества сточных вод. Если учесть структуру действующего или проектируемого
гальванического производства, количество
технологических линий, число стадий каждой из них и возможные способы реализации такой стадии, то станет очевидным, что множество вариантов модернизации или создания нового производства будет весьма значительным.
В зависимости от выбора структуры технологических линий, состав и объем сточных вод для каждого производства варьируется в широких пределах, а также существует достаточно много методов очистки для определенного вида стоков. Ввиду высокой токсичности образующихся при нанесении гальванических покрытий сточных вод, перед технологом такого производства помимо задачи проектирования производственного цеха стоит задача самостоятельного проектирования эффективной технологической схемы очистки. Решая задачу проектирования систем очистки сточных вод совместно с проектированием производственного цеха можно добиться более высоких показателей эффективности. Системы очистки сточных вод гальванического производства характеризуются высокими стоимостными показателями, поэтому при их проектировании необходимо иметь возможность доступа к технологической системе, а не решать проблему экстенсивным методом «на конце трубы». На состав оборудования технологической схемы влияет множество факторов, а именно: объемы производства, требования к наносимым покрытиям и готовой продукции, виды стоков, качественный состав каждого вида стоков, объем сточных вод, требования, предъявляемые к их качественному и количественному составу, финансовые
возможности. Поэтому технолог не всегда может спроектировать технологическую схему
гальванического производства и систем очистки сточных вод оптимальную как с точки зрения технологических и экологических требований, так и с точки зрения наибольшей экономической эффективности такой схемы очистки. Именно с
этим связана актуальность применения математических моделей и электронно-вычислительной техники для синтеза технологических схем производства.
В рамках задачи проектирования «экологически безопасного» гальванического производства не стоит забывать и о значениях комплексных показателей экологической безопасности (опасности) строящегося или реконструируемого объекта. Опасность для окружающей среды представляют не только вредные компоненты сбросов загрязненных сточных вод в водные объекты и размещаемые на полигонах токсичные отходы гальванического производства, но и попадающие в атмосферу загрязняющие вещества, испаряющиеся из технологических растворов с зеркала ванн.
Высокая потенциальная опасность
проектируемого объекта для окружающей среды является основанием для концентрации усилий на создании с использованием системного подхода, по возможности, «экологически безопасного» гальванического производства. При таком подходе производственно-хозяйственная система
гальванического производства рассматривается как совокупность взаимосвязанных подсистем с различными функциями, но единой целью функционирования.
С учетом изложенного выше, основную задачу системного эколого-экономического проектирования такого производства можно сформулировать следующим образом:
«На основе выбора технологии основных и вспомогательных операций нанесения
гальванических покрытий, методов и оборудования очистки промывных сточных вод и утилизации образующихся отходов сформировать производственно-хозяйственную систему
гальванического производства, которая с учетом имеющихся финансовых, ресурсных,
экологических, санитарно-гигиенических и других ограничений обеспечили бы выпуск необходимого количества продукции требуемого ассортимента и качества с максимальным экономическим эффектом, минимальным уровнем негативного воздействия на окружающую среду и максимумом сбережения используемых ресурсов».
Для формирования укрупненной структурной схемы процессно-потоковой организации «экологически безопасного» гальванического производства выделяются следующие ее элементы:
Используемые сырьевые и энергетические ресурсы: химикаты для формирования технологических растворов; аноды из металла, соответствующего типу основной
технологической операции; вода для формирования технологических растворов, применяемая в ваннах улавливания и промывки
для подготовки изделий к следующей основной операции или к использованию; электрическая энергия для ведения основных и вспомогательных технологических процессов.
Технологические (производственные)
процессы: основные технологические процессы, связанные с предварительной подготовкой изделий и с нанесением гальванических покрытий; вспомогательные процессы улавливания загрязняющих веществ с поверхности обрабатываемых изделий; вспомогательные процессы промывки изделий для подготовки их к следующей основной операции или к использованию.
Технологические растворы: исходный
технологический раствор, используемый в основных технологических операциях;
технологический раствор, выносимый деталями (изделиями) из основных технологических ванн (унос).
Потоки, поступающие на очистку: промывные сточные воды, образующиеся в процессе промывки изделий; газовоздушные смеси, образующиеся при испарении технологических растворов в производственной подсистеме.
Процессы очистки (средозащитные процессы): процессы водоочистки; процессы газоочистки.
Потоки, образующиеся после очистки: очищенные сточные воды; очищенные газовоздушные смеси; осадки очистных сооружений.
Образовавшиеся технологический концентрированный технологический концентрированный сооружений.
Процессы ресурсосбережения: рекуперация химикатов из образующихся пригодных к регенерации отходов; регенерация технически чистой воды из очищенных сточных вод и вод после обезвоживания отходов.
Потоки, образующиеся в результате функционирования систем ресурсосбережения: химикаты; технически чистая вода.
Потоки, поступающие в окружающую среду: очищенные сточные воды; очищенные газовоздушные смеси; отходы, не подлежащие регенерации (шлам).
Разрабатываемое математическое описание проектирования гальванического производства имеет трехуровневую блочную структуру. В нем (рис. 1) с учетом проблемной ориентации выделяется шесть взаимосвязанных блоков первого уровня, отражающих состав производственно-хозяйственной системы
проектируемого объекта.
отходы: отработанный раствор (наиболее
сток); уловленный
раствор (менее
сток); осадки очистных
Математическое описание производственно-хозяйственной системы гальванического производства
Блок 1. Математическое описание производственно-технологической подсистемы
Блок 2. Математическое описание подсистемы охраны (защиты) окружающей среды и ресурсосбережения
Блок 3. Математическое описание подсистемы обеспечения ресурсами
Блок 4. Математическое описание подсистемы реализации готовой продукции
Блок 5. Математическое описание подсистемы капитального строительства объекта
Блок 6. Математическое описание финансово-экономической подсистемы
Рис. 1. Блочная структура математического описания производственно-хозяйственной системы гальванического производства - блоки первого уровня
Для деятельности, связанной с основным производством, характерным является наличие трех последовательных этапов. На первом осуществляется предварительная подготовка деталей к последующему нанесению гальванических покрытий (обезжиривание и др.), на втором реализуются целевые
электрохимические процессы нанесения покрытий, а третий завершает процесс подготовки изделия к дальнейшему использованию (сушка и др.). Следует отметить, что на первом и третьем этапах принято ориентироваться на применение совмещенного технологического оборудования, а на втором - индивидуальных технологических схем.
Защита окружающей среды и обеспечение максимального уровня ресурсосбережения - одна из важнейших задач проектирования «экологически безопасного» гальванического производства. Особенно важным и сложным в процессе принятия проектных решений является выбор экономически и экологически эффективных средозащитных технологий. Следует отметить, что эффективность этого выбора будет существенным образом зависеть от решений, принятых в производственно-технологической подсистеме. Математическое описание подсистемы охраны (защиты) окружающей среды и
ресурсосбережения (блок 2) структурируется с учетом ее основных функций:
Блок 2._Математическое описание
подсистемы охраны (защиты) окружающей среды и ресурсосбережения.
Блок 2.1. Математическое описание системы отчистки отходящих газов.
Блок 2.2. Математическое описание системы очистки производственных сточных вод.
Блок 2.3. Математическое описание системы обращения с отходами гальванического производства.
Блок 2.4. Математическое описание системы ресурсосбережения.
Блок 2.5. Математическое описание значений показателей «экологической чистоты»
проектируемого гальванического производства.
Первые четыре блока математического описания подсистемы охраны (защиты) окружающей среды и ресурсосбережения мало, чем отличаются между собой по структуре. В каждом из них необходимо обратить особое внимание на потоки веществ, поступающих на целевую обработку в соответствующую природоохранную систему, и выбор наиболее эффективного варианта объединения потоков. Различные альтернативы объединения оказывают существенное влияние на выбор технологического оборудования для осуществления эффективной природоохранной деятельности, на
технологические режимы, расход ресурсов, а, следовательно, и на величину инвестиционных и текущих затрат. Экологическая эффективность
такого выбора оценивается по степени соответствия параметров выходного потока установленным требованиям, а, в конечном итоге, по значениям комплексных показателей экологической опасности (безопасности) и ресурсосбережения.
Таким образом, была сформирована математическая модель, представляющая собой систему линейных уравнений и неравенств, описывающих процесс проектирования
гальванического производства. Данную модель можно использовать для синтеза эффективной
технологической схемы с использованием стандартного пакета целочисленного
программирования. Также полученную модель можно применять для анализа уже спроектированных технологических схем.
Решение поставленных задач оптимизации, используя методы линейного и частично -целочисленного программирования, можно осуществить с помощью программного продукта Xpress Optimizer компании Dash Optimization, предназначенного для решения задач математического моделирования и оптимизации.
Лиманская Елена, студентка 1 курса магистратуры факультета Биотехнологии и промышленной экологии РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва.
Ермоленко Борис Викторович, к.т.н., доцент, доцент кафедры промышленной экологии РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва.
Литература
1. Виноградов С.С. Организация гальванического производства. Оборудование, расчет производства, нормирование./Под ред. В.Н.Кудрявцева; «Глобус». М., 2002.-208 с.
2. Ермоленко Б.В. Управленческое проектирование: оптимизация выборов инвестиционных стратегий с помощью математического моделирования / Б.В. Ермоленко // Менеджмент в России и за рубежом. -2003. - № 5. - С. 124-143
3. B.V. Ermolenko, Ya.P.Bykova . Economic-Mathematical Models for Designing a Wastewater Purification System for Electroplating Plants. Theoretical Foundation of Chemical Engineering, 2010, Vol. 44, No.5, pp. 905912. Pleiades Publishing, Ltd.
E.S. Limanskaya*, B. V. Ermolenko
Dmitry Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia, Moscow, Russia *e-mail: lena-limanskaj [email protected]
SOME APPROACHES TO SYSTEM DESIGN OF ENVIRONMENTALLY "SAFE" ELECTROPLATING
Abstract.
The analysis of galvanic production as object of ecological and economic optimization is carried out. The problem of optimal ecological and economic design of "safe" galvanic production with use of methods of the system analysis and optimizing mathematical models is formulated. The problem is stated as a problem of partially-integer linear programming. The integrated block structure of the mathematical description of object of optimization is given. The special attention is paid to a subsystem protection of environment and resource-saving. It is specified existence of the effective software product allowing to solve an objective.
Keywords: electroplating; environmentally "safe"; ecological-economic design; optimization; the structure of the mathematical description; environmental protection; resource-saving; software product.
