Моделирование и разработка процесса получения сульфата алюминия-коагулянта для водоочистки на ленточном кристаллизаторе тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.17.01, кандидат технических наук Гетманцев, Виктор Степанович

• Гетманцев, Виктор Степанович
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Гетманцев, Виктор Степанович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР.

1.1. Коагулянты. Способы производства.

1.2. Очистка воды коагулянтами.

1.3. Процессы кристаллизации.

1.4. Постановка задачи.

ГЛАВА 2. ПРОЦЕСС СУШКИ СУЛЬФАТА АЛЮМИНИЯ НА ЛЕНТОЧНОМ КРИСТАЛЛИЗАТОРЕ.

2.1. Ленточный кристаллизатор.

2.2. Математическая модель процесса сушки в плоском слое.

2.3. Определение физико-химических и теплофизических параметров • математической модели.

2.3.1. Физико-химические и теплофизические свойства.

2.3.2. Параметры теплопереноса.

2.3.3. Экспериментальное определение значений коэффициентов теплопроводности и теплоотдачи готового продукта-коагулянта.

2.4. Метод решения уравнений математической модели процесса сушки в плоском слое.

2.5. Анализ процесса сушки.

ГЛАВА 3. ПРОЦЕСС КРИСТАЛЛИЗАЦИИ ПЛАВА СУЛЬФАТА АЛЮМИНИЯ.

3.1. Математическая модель процесса кристаллизации плава в плоском слое.1.

3.2. Метод решения уравнений математической модели процесса кристаллизации плава в плоском слое.

3.3. Анализ процесса кристаллизации плава сульфата алюминия в плоском слое.

3.4. Математическая модель процесса кристаллизации в грануле.

3.5. Метод решения уравнений математической модели процесса кристаллизации в грануле.

3.6. Анализ процесса кристаллизации плава сульфата алюминия в грануле.

ГЛАВА 4. ПРОМЫШЛЕННЫЙ ПРОЦЕСС ПОЛУЧЕНИЯ КОАГУЛЯНТА ДЛЯ ВОДООЧИСТКИ.

4.1. Сопоставление процессов получения коагулянта в виде сплошного слоя и гранул.

4.2. Предложение по организации промышленного процесса получения коагулянта.

4.3. Доставка потребителю коагулянта и его подготовка к водоочистке.

Технико-экономический анализ процесса.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Моделирование и разработка процесса получения сульфата алюминия-коагулянта для водоочистки на ленточном кристаллизаторе»

Одним из важнейших факторов национальной безопасности любой страны является обеспечение населения питьевой водой. Питьевая вода — необходимый элемент жизнеобеспечения населения, от ее качества, количества и бесперебойной подачи зависят состояние здоровья людей, уровень их санитарно-эпидемиологического благополучия, степень благоустройства жилищного фонда и городской среды, стабильность работы коммунально-бытовой сферы. Также от качества воды зависит уровень развития технологий энергетики и промышленности.

В России около 90% поверхностной и не менее 30% подземной воды подвергается обработке с удалением избыточных примесей [1]. Основным технологическим приемом удаления из воды грубодисперсных примесей, находящихся во взвешенном состоянии, и коллоидных органических загрязнений, присутствующих в воде в растворенном виде, является процесс коагуляции за счет введения в воду коагулянтов.

Основным коагулянтом, используемым в России, является сульфат алюминий. Однако до последнего времени он производился не высокого качества и в неудовлетворительной товарной форме. В условиях развития технологий водоочистки, применения новых реагентов для обеззараживания воды и наметившийся переход на мембранные технологии очистки воды требуется полная автоматизация всех этапов многоступенчатого процесса водоподготовки. Для этого необходимо иметь удобный в использовании (дозировании) реагент - коагулянт. Производимый сульфат алюминий второго и первого сорта, характеризуется нестабильным, разнородным гранулометрическим составом. Поэтому создание производства сульфата алюминия высшего сорта со стабильным гранулометрическим составом для использования в системах автоматического «сухого» или, в крайнем случае, «мокрого» дозирования является весьма актуальной задачей. Эта задача распространяется не только на процессы водоподготовки, но и на технологические процессы в производствах бумаги, картона, на процессы физико-химической очистки сточных производственных вод различных отраслей промышленности и сельского хозяйства.

Цель работы - разработка и выдача технологических параметров для проектирования процесса формования коагулянта - сульфата алюминия на движущейся стальной ленте с использованием разработанных физико-химических и динамических моделей путем последовательного решения методологических, научно-прикладных и технологических задач. Единой методической основой проведения исследований является математическое моделирование.

На защиту выносится.

Обоснование и разработка математической модели процесса кристаллизации влажного плава кристаллогидрата сульфата алюминия на стальной ленте кристаллизатора в виде сплошного слоя и в виде гранул.

Алгоритм процесса кристаллизации плава на ленте в виде сплошного слоя и гранул и, соответствующие, компьютерные программы, как рабочее место технолога для проведения инженерных расчетов.

Обоснование, на основе анализа математической модели ленточного кристаллизатора, процесса получения коагулянта высшего сорта.

Технико-экономическое обоснование по производству на ОАО «Аурат» коагулянта — кристаллогидрата сульфата алюминия с использованием получаемого эффекта, как у производителя, так и у потребителей продукции.

Заключение диссертации по теме «Технология неорганических веществ», Гетманцев, Виктор Степанович

выводы

1. Проведен анализ получения и применения коагулянтов для очистки воды от коллоидных частиц и выбран объект исследований формования товарного коагулянта - Al2(S04)3" I8H2O на ленточном кристаллизаторе.

2. Разработаны математические модели процесса кристаллизации и охлаждения на ленточном кристаллизаторе коагулянта для водоочистки на основе сульфата алюминия на стальной ленте. Модели построены для получения продукта, как в виде сплошного слоя, так и в виде гранул при условии фронтального испарения влаги и фронтальной кристаллизации плава с подвижной границей этих процессов.

3. Из литературных данных определены и оценены параметры математической модели. Значение теплопроводности готового продукта-коагулянта определено экспериментально.

4. Разработан алгоритм решения полученных систем уравнений математической модели процесса с использованием неявной сеточной схемы с подвижными узлами. Для решения сеточных уравнений, описывающих процесс в виде сплошного слоя, использован метод прогонки, выведены коэффициенты для прогонки с разных границ и переменной внутренней границей кристаллизации. Для решения сеточных уравнений, описывающих процесс в гранулах, использован метод переменных направлений, выведены прогоночные коэффициенты с движущимися дополнительными узлами сетки.

Для реализации вычислительной схемы расчета процесса в узловой точке центра координат предложена модификация вычислительной сетки и развит алгоритм расчета двумерной системы уравнений с узловой координатной точкой и подвижными внутренними граничными условиями.

Разработанные алгоритмы реализованы в программе на языке Visual Basic в виде рабочего места технолога для проведения инженерных расчетов.

5. Результаты расчета показали качественные совпадения с режимом кристаллизации, описанном в технологических предложениях фирмы — производителя оборудования.

6. Проведен анализ влияния параметров процесса (размер слоя, условия охлаждения, теплофизические параметры плава и др.) на скорость кристаллизации и охлаждения коагулянта и технические параметры процесса (геометрические размеры кристаллизатора, его производительность).

7. Проведен технико-экономический анализ процессов получения коагулянта. Показано, что получение продукта с использованием ленточного стального кристаллизатора обеспечивает лучшее качество продукта и стабильный гранулометрический состав.

Показано, что производительность установки для получения продукта в виде сплошного слоя на 60% выше, чем его получение в виде гранул,.однако продукт получается первого сорта и суммарные удельные затраты меньше всего на 2-3% из-за высокой стоимости сырья.

Основной экономический эффект достигается у потребителей коагулянта, позволяя использовать систему «сухого» дозирования гранулированного продукта и, тем самым, уменьшить в 1,5 раза производственные площади и в 2,6 раза объем здания типовой водоочистительной станции, а также за счет сокращения на 10,9% затрат при перевозке коагулянта ж/д транспортом.

8. Полученные данные использованы для технического перевооружения производства сульфата алюминия на ОАО «Аурат».

Заключение

Исследование показало, что получение коагулянта на ленточном кристаллизаторе в виде гранул высшего сорта является несколько более затратным, чем другие способы, однако у потребителя достигается значительный технико-экономический эффект. Кроме того, производство кристаллогидрата сульфата алюминия в виде гранул на ленточном кристаллизаторе позволяет достаточно легко регулировать размер гранул, что является важным в современных условиях, когда нужно удовлетворять различные требования потребителя.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Гетманцев, Виктор Степанович, 2009 год

1. Драгинский В.Л., Алексеева Л.П., Гетманцев C.B. Коагуляция в технологии очистки природных вод. М.: Науч. изд., 2005. 576 с.

2. ГОСТ 19966-85 с изменениями №1, 2. Межгосударственный стандарт. Алюминия сульфат технический очищенный. Технические условия. Переиздание с изменениями №1, 2 утвержденными в июле 1989 г., апреле 1998 г. М.: ИПК Издательство стандартов, 1999. - 10 с.

3. Позин М.Е. Технология минеральных солей (удобрений, пестицидов, промышленных солей, окислов и кислот), ч. I, изд. 3-е пер. и доп. Изд-во «Химия», 1970. 792 с.

4. Ткачев КВ., Заполъский А.К., Кисилъ Ю.К. Технология коагулянтов. JL: Химия, 1978.- 184 с.

5. Пат. 2157341 РФ, МПК7 С 01 F 7/74. Способ получения коагулянта -жидкого сульфата алюминия.

6. Пат. 2193011 РФ, МПК7 С 01 F 7/74. Способ получения коагулянта -жидкого сульфата алюминия.

7. Пат. 2215691 РФ, МПК7 С 01 F 7/74. Способ получения коагулянта.

8. Заполъский А.К., Баран А.А. Коагулянты и флокулянты в процессах очистки воды: Свойства. Получение. Применение. JL: Химия, 1987. -208 с.

9. Пат. 2163887 РФ, МПК7 С 01 F 7/74. Способ получения гранулированного сульфата алюминия.

10. Пат. 2157342 РФ, МПК7 С Ol F 7/74, В 01 J 2/06. Способ получения гранулированного сульфата алюминия.

11. Пат. 2241671 РФ, МПК7 С 01 F 7/00, 7/74. Способ получения твердого сульфата алюминия или смеси сульфатов алюминия железа кристаллизацией на ленточном конвейере.

12. A.c. 1763370 СССР, МПК С 01 F 7/74. Способ гранулирования сернокислого алюминия.

13. Пат. 2044691 РФ, МПК6 С 01 F 7/74. Способ получения сульфата алюминия.

14. A.c. 1520009 СССР, МПК С 01 F 7/74. Способ получения гранулированного сульфата алюминия.

15. Пат. 2193010 РФ, МПК7 С 01 F 7/74. Способ получения сульфата алюминия.

16. Smoluchovski М. Drei Vortrage Uber Diffusion, Brounische Bewegung und Koagulation von Kolloidteilchnen // Phys. Zeits., 1916, Bd. 17, - S. 557 - 585.

17. Волощук B.M. Кинетическая теория коагуляции. Д.: Гидрометеоиздат, 1984.-284 с.

18. Бабенков Е.Д. Очистка воды коагулянтами. М.: Наука, 1977. 355 с.

19. Мягченков В.А., Френкель С.Я. Композиционная неоднородность сополимеров. JL: Химия, 1988. -288 с.

20. Дерягин Б.В., Чураев Н.В., Муллер В.М, Поверхностные силы. М.: Наука, 1985.

21. Дерягин Б.В. Теория устойчивости коллоидов и тонких пленок. М.: Наука, 1986.

22. Дмитриев В Д. О процессах коагуляции. Сб. трудов. Исследование в области водоснабжения, ЛИСИ, 1982. С. 38.

23. ФридрихсбергД.А. Курс коллоидной химии. Л.: Химия, 1984. 186 с.1

24. Воющий С.С. Курс коллоидной химии. М.: Химия, 1976. 511 с.

25. Фролов Ю.Г. Курс коллоидной химии. М.: Химия, 1982. 400 с.

26. Кузнецов В.Д. Кристаллы и кристаллизация. М.: Техтеоретиздат, 1953. -411 с.

27. Козлов О.Г. Рост кристаллов. М.: Изд-во МГУ, 1967. 235 с.

28. Хонигман Б. Рост и форма кристаллов. Пер. с нем. М.: Издатинлит, 1961.-212 с.

29. Чалмерс Б. Теория затвердевания. Пер. с англ. М.: Металлургиздат, 1968.-288 с.

30. Гелъперин Н.И., Носов Г.А. Основы техники кристаллизации расплавов. М.: Химия, 1975. 352 с.

31. Матусевич JI.H. Кристаллизация из растворов в химической промышленности. М.: Химия, 1968. — 304 с.

32. Нывлт Я. Кристаллизация из растворов. М.: Химия, 1974. — 150 с.

33. Хамский Е.В. Кристаллизация из растворов. Д.: Наука, 1967. 150 с.

34. Хамский Е.В. Кристаллизация в химической промышленности. М.: Химия, 1979.-344 с.

35. Бойченко М.С., Рутес B.C., Фульмахт В.В. Непрерывная разливка стали. М.: «Металлургия», 1961. 302 с.

36. Герман Э. Непрерывное литье. Пер. с нем. М.: «Металлургия», 1961. -435 с.

37. Раддл Р.У. Затвердевание отливок. Пер. с англ. М.: Машгиз, 1960. -391 с.

38. Парр Н. Зонная очистка и ее практика. Пер. с англ. М.: Металлургиздат, 1963. -210 с.

39. Пфанн В.Д. Зонная плавка. Пер. с англ. М.: Металлургиздат, 1960. -366 с.

40. Херингтон Е. Зонная плавка органических веществ. Пер. с англ. М.: «Мир», 1965.-260 с.

41. Вплъке К.Г. Методы выращивания монокристаллов. Пер. с нем. М.: «Мир», 1968.-423 с.

42. Маллин Д.У. Кристаллизация. Пер. с англ. М.: «Металлургия», 1965. -342 с.

43. Matz G. Kristallisation, Grundlagen und Technik. Berlin, Springer, 1969. -400 s.

44. Бэмфорт A.B. Промышленная кристаллизация. M.: Химия, 1969. 240 с.

45. Манделъкорн Л. Кристаллизация полимеров. Пер. с англ. М.: «Химия», 1966. 332 с.

46. Вольфсон Б.Н., Пац Б.М. «Кокс и химия», 1957, № 8, С. 63 64.

47. Свалов Г.Н. Хим. и нефт. маш., 1969, № 4, С. 16 18.

48. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. М.: Химия, 1973. 752 с.

49. Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии: Учебник для вузов. Изд. 2-е. В 2-х кн.: Часть 2. Массообменные процессы и аппараты. М.: Химия, 1995. 368 с.

50. Чураев Н.В. Физикохимия процессов массопереноса в пористых телах. М.: Химия, 1990. 272 с.

51. Сажин Б.С., Сажин В.Б. Научные основы техники сушки. М.: Наука, 1997.-448 с.

52. Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии: Учебник для вузов. Изд. 2-е. В 2-х кн.: Часть 1. Теоретические основы процессов химической технологии. Гидромеханические и тепловые процессы и аппараты. М.: Химия, 1995. 400 с.

53. Химическая энциклопедия: В 5 т.: т. 1: А Дарзана / Редкол.: Кнунянц И.Л. (гл. ред.) и др.- М.: Сов. энцикл., 1988. - 623 с.

54. Джон Г. Перри Справочник инженера-химика т.1 «Химия», 1969. -640 с.

55. Термодинамические свойства индивидуальных веществ: Справочное издание / Под. Ред. В.П. Глушко. 3-е изд. М.: Наука, 1977-1982. т.1-4.

56. Кутателадзе С.С., Боришанский В.М. — Справочник по теплопередаче. JI.-M.: Госэнергоиздат, 1959. -414 с.

57. Kymenoe A.M., Бесков B.C., Гетманцев B.C., Гетманцев С.В. Моделирование ленточного кристаллизатора формования коагулянтов // ТОХТ. 2005. Т. 39. № 2. С. 140 145.

58. Березин КС., Жидков Н.П. Методы вычисления. М.: Физматгиз, 1959.- 620 с.

59. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов. М.: Наука. 1986. 544 с.

60. Бесков B.C., Флокк В. Моделирование каталитических процессов и реакторов. М.: Химия, 1991.-256 с.

61. Яненко Н.Н. Методы дробных шагов решения многомерных задач математической физики. Новосибирск, Наука, 1967. 197 с.

62. Годунов С.К., Рябенький B.C. Разностные схемы. М.: Наука, 1973. -400 с.

63. ГОСТ 5155-74. Государственный стандарт СССР. Алюминия сернокислый технический (неочищенный). Дата введения в действие 28.03.1974. М.: Издательство стандартов, 1974. - 14 с.

64. ГОСТ 19966-85. Государственный стандарт СССР. Алюминия сульфат технический очищенный. Технические условия. Дата введения в действие 30.09.1985. М.: 1985. Издательство стандартов,- 14 с.

65. Фрог Б.Н., Левченко А.П. Водоподготовка: учебное пособие для ВУЗов. М.: Издательство «МГУ», 1996. 680 с.

66. Эксплуатация систем водоснабжения, канализации и газоснабжения: Справочник / Под ред. В.Д. Дмитриева, Б.Г. Мишукова. Изд. 3-е, перераб. и доп. Л.: Стройиздат, 1988. — 383 с.

67. Пособие по проектированию сооружений для очистки и подготовки воды (к СНиП 2.04.02-84 «Водоснабжение. Наружные сети и сооружения») / НИИ КВОВ АКХ им. К.Д. Памфилова. М.: ЦНТП Госстроя СССР, 1989.