Ресурсосберегающая химико-технологическая система водного хозяйства производства стекломатериалов

На правах рукописи Усанова Ольга Александровна РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩАЯ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ВОДНОГО ХОЗЯЙСТВА ПРОИЗВОДСТВА СТЕКЛОМАТЕРИАЛОВ Специальность 03.02.08 – Экология Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Иваново – 2010 г. Работа выполнена в ГОУВПО «Ивановский государственный химико-технологический университет» на кафедре общей химической технологии. Научный руководитель: Невский Александр Владимирович, доктор технических наук, профессор Официальные оппоненты: Кручинина Наталия Евгеньевна, доктор технических наук, профессор; Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева Корчагин Владимир Иванович, доктор технических наук, доцент; Воронежская государственная технологическая академия Ведущая организация: Московский государственный университет инженерной экологии Защита состоится 24 декабря 2010 г. в 10-00 часов в ауд. Г-205 на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.063.02 при ГОУВПО «Ивановский государственный химико-технологический университет» по адресу: 153000, г. Иваново, пр. Ф. Энгельса, 7. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУВПО «Ивановский государственный химико-технологический университет» по адресу: 153000, г. Иваново, пр. Ф. Энгельса, 10. Автореферат диссертации разослан «……..» ноября 2010 г. Ученый секретарь совета по защите докторских и кандидатских диссертаций, д.т.н., ст.н.с. Гришина Е.П. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность проблемы. Принятые мировым сообществом принципы устойчивого социально-экономического развития предусматривают создание ресурсосберегающих экологически безопасных производств, основу которых составляют эффективно действующие химико-технологические системы (ХТС). Особый интерес в связи с этим представляет изучение принципов проектирования ресурсосберегающих ХТС промышленных предприятий на основе изучения физико-химической сути технологических процессов, рассмотрения их термодинамических, технологических, экологических и экономических особенностей. В современных условиях наблюдается ускоренное развитие и модернизация ХТС по производству стекломатериалов - высокотехнологичных изделий, находящих применение в приборостроении, машиностроении, светотехнике, электротехнике и других производственных областях. Тем не менее, имеющее место техническое перевооружение данных производств, к сожалению, не всегда связано с отказом от ресурсоемкого подхода к организации их систем водного хозяйства. Всего лишь порядка половины действующих в данной отрасли технологических схем соответствуют современному мировому уровню, а около трети являются устаревшими и не имеют резервов для модернизации. В этой связи решение такой научной проблемы, как разработка и развитие методологии проектирования ресурсосберегающих водопотребляющих ХТС (ВХТС) производства стекломатериалов с целью повышения их технико-экономической эффективности и экологической безопасности является актуальной задачей. Эколого-технологический анализ функционирования производств по выпуску стекломатериалов показал, что большинство их водоиспользующих технологических процессов представляют собой незамкнутые системы. Получение в них целевого продукта требует существенных сырьевых затрат, особенно такого ценного сырья, как свежая вода и энергетических ресурсов, в частности, затрат энергии на транспортировку, обработку воды, и сопровождается образованием значительного объема отработанной технологической воды. Даже для предприятий, оборудованных системами оборотного водоснабжения, количество потребляемой свежей воды в несколько раз превышает объем перерабатываемого сырья. Высокий уровень водопотребления обусловливает значительный объем образования сточных вод (СВ) производств по выпуску стекломатериалов, содержащих специфические загрязняющие вещества (ЗВ). Сброс недостаточно очищенных СВ данных производств осуществляется в природные водные объекты. Особенно остро стоит проблема антропогенного загрязнения водного бассейна в регионах с развитой промышленной инфраструктурой, таких как Центральный и Приволжский Федеральные округа России. Содержание работы соответствует приоритетным направлениям развития науки, технологий и техники Российской Федерации: экология и рациональное природопользование; производственные технологии; а также перечню критических технологий Российской Федерации: природоохранные технологии, переработка и утилизация техногенных образований и отходов; снижение риска и уменьшение последствий природных и техногенных катастроф. Работа выполнена в соответствии с планом проекта Минобразования РФ № 01.03.005: «Научные основы и новые принципы синтеза ресурсосберегающих химико-технологических систем водопотребления промышленных предприятий» и гранта № 04-05-78035 Российского фонда фундаментальных исследований. Цель работы: Разработка научно-обоснованной ресурсосберегающей химико-технологической системы водного хозяйства производств по выпуску стекломатериалов, обеспечивающей сокращение удельных нормативов потребления свежей воды и отведения сточных вод, уменьшение массы сброса загрязняющих веществ в водоемы со сточными водами, высокоэффективную технологию локальной обработки сточных вод для их повторного использования. Задачи работы. Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи: 1) провести комплексный эколого-технологический анализ основных производственных процессов действующих предприятий по выпуску стекломатериалов (стекловолокна, стеклоткани, бронированного стекла), способов организации и режимов эксплуатации их систем водопотребления и водоотведения; 2) развить и применить термодинамический эксергетический метод анализа при проектировании ресурсосберегающих ВХТС промышленных предприятий, позволяющий научно аргументировать решение проблемы разделения - смешивания водных технологических потоков производств по выпуску стекломатериалов; 3) применить водный термодинамический пинч-метод проектирования высокоэффективных ресурсосберегающих ВХТС промышленных предприятий с целью организации повторно-последовательного использования технологической воды и обеспечения существенного сокращения удельных нормативов потребления свежей воды и отведения СВ производствами по выпуску стекломатериалов; 4) изучить эффективность электромембранного метода обработки СВ производств по выпуску стекломатериалов и установить параметры процесса для обеспечения возможности повторного использования ценных сырьевых компонентов – серной и плавиковой кислот. 5) провести оценку эколого-экономической эффективности предлагаемых инновационных технических решений. Научная новизна. В ходе работы получены результаты, свидетельствующие о новом вкладе в теорию создания ресурсосберегающих систем водного хозяйства промышленных предприятий, а именно: 1) на базе термодинамического подхода показана возможность применения методологии проектирования ресурсосберегающих систем водного хозяйства промышленных предприятий для проектирования ресурсосберегающей ВХТС производств по выпуску стекломатериалов; 2) предложена методика оптимизации поэтапного проектирования ресурсосберегающих ВХТС при использовании термодинамического эксергетического анализа в условиях обработки значительного массива данных по вариантам разделения – смешивания водных технологических потоков; 3) исследованы физико-химические закономерности электромембранного метода обработки СВ производств по выпуску стекломатериалов с целью извлечения и повторного использования ценного сырья - серной и плавиковой кислот. Практическое значение. На основании научных результатов исследования, выводов и обобщений, сделанных в ходе работы, предприняты шаги к их реализации: 1) разработана ресурсосберегающая ВХТС производства по выпуску стекломатериалов (стекловолокна, стеклоткани, бронированного стекла), представляющая собой сочетание подсистем: разделения – смешивания индивидуальных водных технологических потоков производственных подразделений; повторно-последовательного использования технологической воды; высокоэффективной локальной электромембранной обработки СВ; водооборотной системы технологической воды; 2) предложены способы ресурсосбережения при функционировании производств по выпуску стекломатериалов: снижение удельных норм водопотребления и водоотведения, повторное использование в основной технологии очищенной СВ, ценных сырьевых компонентов - серной и плавиковой кислот; 3) разработаны технологические параметры высокоэффективной локальной обработки СВ производств по выпуску стекломатериалов на базе процесса электромембранного разделения сырьевых компонентов с целью их повторного использования в производстве. Объектами исследования и экспериментальной проверки полученных результатов были предприятия: по выпуску стекловолокна и стеклоткани - ЗАО НПО «Стеклопластик» (г. Зеленоград, Московской обл.) и ООО «Бау Текс» (г. Гусь-Хрустальный, Владимирской обл.); по выпуску бронированного стекла - ООО «Магистраль» (г. Гусь-Хрустальный, Владимирской обл.) и ЗАО Фирма «Символ» (г. Курлово, Владимирской обл.). Свидетельством практического значения работы являются заключения о возможности внедрении ее результатов на: ООО «Бау Текс» (г. Гусь-Хрустальный, Владимирской обл.) и ЗАО Фирма «Символ» (г. Курлово, Владимирской обл.). Изучение эффективности электромембранного метода обработки СВ производств по выпуску стекломатериалов проводили на базе ЗАО НПО «Баромембранные технологии (БМТ)», г. Владимир. Надежность результатов и достоверность выводов. Надежность полученных результатов обеспечена: 1) использованием классического аппарата математического описания основных термодинамических закономерностей процессов в жидкофазных системах, 2) использованием исходных данных, описывающих технологические процессы, полученных на действующих в настоящее время промышленных предприятиях, 3) применением современной вычислительной техники на базе персональных компьютеров. Достоверность и обоснованность выводов и рекомендаций, сделанных в работе, обусловлена их соответствием фундаментальным представлениям о способах ресурсосбережения в промышленности. Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены на: научной конференции «Молодая наука - развитию Ивановской области», г. Иваново, ИВГУ, 2005 г., IV Всероссийской научно-технической конференции «Вузовская наука региону», г.Вологда, ВоГТУ, 2006 г., the 5-th China-Russia-Korea International Symposium On Chemical Engineering and New Material Science, Ivanovo, Rassia. ISUCT, 2007, 1-ой Междунар. научной конф. «Современные методы в теоретич. и эксперим. электрохимии», Плес, Ивановская обл., Россия, 23-27 июня 2008 г., «Наукоемкие химич.-ие технологии-2008». Тез. докл. XII Междунар. научно-техн. конф. г. Волгоград, 09-11 сент. 2008 г., с. 284., the XVII International Conference on Chemical Thermodynamics in Russia. Kazan. Russian Federation. June 29- July 3. 2009. На защиту выносятся: структура ресурсосберегающей системы водного хозяйства производств по выпуску стекломатериалов (стекловолокна, стеклоткани, бронированного стекла); методика оптимизации поэтапного проектирования ресурсосберегающих ВХТС при использовании термодинамического эксергетического анализа в условиях обработки значительного массива данных по вариантам разделения – смешивания водных технологических потоков; способы ресурсосбережения при проведении технологических процессов на производствах по выпуску стекломатериалов: снижение удельных норм водопотребления и водоотведения, повторное использование в основной технологии очищенной СВ, сырьевых компонентов - серной и плавиковой кислот; технология высокоэффективной локальной обработки СВ производства стекломатериалов на базе процесса электромембранного разделения компонентов. Личный вклад автора заключается в: совместном с руководителем участии в формулировке цели и задач исследования; проведении мониторинга и эколого-технологического анализа функционирования ряда действующих производств по выпуску стекломатериалов; получении и обработке экспериментальных данных по разработке структуры ресурсосберегающей ВХТС производства по выпуску стекломатериалов; получении и обработке экспериментальных данных по исследованию физико-химических особенностей электромембранного метода обработки СВ производств по выпуску стекломатериалов; разработке технологии высокоэффективной локальной обработки СВ производства стекломатериалов на базе процесса электромембранного разделения компонентов; обсуждении результатов работы и ее апробации. Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 научных работ, в том числе 3 работы - в изданиях, рекомендованных ВАК для защиты кандидатских диссертаций. Объем и структура работы. Диссертационная работа изложена на 160 страницах, содержит 36 рисунков, 28 таблиц; состоит из введения, общей характеристики работы, четырех глав, основных результатов и выводов, списка используемой литературы (163 наименования) и приложения. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность решаемой проблемы, дана краткая характеристика экологических проблем производств по выпуску стекломатериалов, показана необходимость внедрения в производство ресурсосберегающих ВХТС. В разделе «Общая характеристика работы» сформулированы цель и задачи исследования, обоснованы научная новизна и практическое значение работы. Первая глава посвящена эколого-технологическому анализу производственных процессов действующих предприятий по выпуску стекломатериалов и содержит 4 раздела. В первом разделе дан анализ основных технологических процессов производств по выпуску стекломатериалов и их экологической опасности. В результате проведенного мониторинга показано, что данные производства представляют серьезную экологическую опасность, особенно в отношении воздействия на гидросферу. Во втором разделе проведен анализ способов организации и режимов эксплуатации систем водопотребления и водоотведения производств по выпуску стекломатериалов. Приведены аргументы в пользу организации замкнутых систем водоснабжения с повторно-последовательным использованием технологической воды. Установлено, что на многих предприятиях традиционным подходом к организации систем водного хозяйства является использование прямоточного водоснабжения и объединение потоков отработанной технологической воды отдельных подразделений (цехов, участков). На многих предприятиях отсутствует оборотное водоснабжение. Третий раздел посвящен анализу качества СВ производств по выпуску стекломатериалов, выбору критериальных ЗВ, их характеристики с точки зрения экологической опасности. Показано, что данные производства являются источниками попадания в технологическую воду и природные водоемы специфических ЗВ, а качественный состав СВ по основным ингредиентам, чаще всего, не отвечает требованиям на сброс в системы водоотведения населенных пунктов. Нарушения санитарных норм при отведении сточных вод наблюдается в основном, по таким ингредиентам, как минеральные кислоты и их соли, ПАВ, замасливатели, нефтепродукты. В четвертом разделе проанализирован спектр существующих способов обработки СВ производств по выпуску стекломатериалов и их эффективность. Установлено, что для очистки СВ предприятий по выпуску стекломатериалов применяют реагентные, сорбционные, ионообменные, электромембранные методы обработки. Особо подчеркнуто, что достаточно перспективными являются методы, использующие процессы мембранной технологии. Во второй главе рассмотрена методология проектирования ресурсосберегающих ВХТС производств по выпуску стекломатериалов. В первом разделе обоснованы принципы проектирования ресурсосберегающих ВХТС промышленных предприятий. Второй раздел посвящен рассмотрению метода термодинамического эксергетического анализа проектирования ресурсосберегающих ВХТС предприятий по выпуску стекломатериалов. Удобной характеристикой в этом случае может быть величина эксергии - технической работоспособности, максимальной способности системы к совершению работы с учетом взаимодействия с окружающей средой: , (1) где: , и - соответственно энтальпия, энтропия и абсолютная температура системы (индекс «0» означает состояние системы в условиях окружающей среды). Величина потери эксергии, , при смешивании водных потоков для идеальных растворов может быть рассчитана как: (2) где: - теплота смешивания; - молярный расход вещества, содержащегося в водном потоке, (моль/час); - мольная доля ЗВ, содержащегося в водном потоке. Т.к. потоки СВ чаще всего являются разбавленными растворами (концентрация ЗВ порядка 0,001 - 1 г/л.), то уравнение 2 можно записать в виде: (3) где: - массовый расход вещества в водном потоке (кг/час); - молекулярная масса вещества в водном потоке (кг); индекс относится к данному виду компонента (ЗВ), а индекс - к набору всех компонентов (ЗВ), содержащихся в водных потоках. Эта аппроксимация возможна, так как для выбора последовательности процессов обработки водных потоков представляет интерес не истинное значение потери эксергии, а ее относительные величины, %, для рассматриваемых вариантов: , (4) где - изменение потери эксергии в процессе смешивания водных потоков, определяемое как: , (5) где: и - эксергия жидкофазной системы до смешивания и после объединения индивидуальных потоков. В качестве термодинамически обоснованных должны быть выбраны такие технологические схемы взаимодействия водных потоков, которым отвечают минимальные значения величины . В настоящее время исследователи, работающие в области эксергетического анализа, учитывают, в основном, влияние изменения эксергии крупных потоков вещества и энергии в масштабе производства в целом. Практически отсутствуют работы по учету влияния вклада изменения эксергии при разделении - смешивании частных подпотоков производственных подразделений (цехов, участков, производственных линий) и отдельного технологического оборудования. В ходе данной работы проведено исследование по учету такого вклада. В третьем разделе рассмотрен термодинамический водный пинч-метод проектирования ресурсосберегающих ВХТС водопотребления и водоотведения производств по выпуску стекломатериалов. В настоящее время пинч-анализ зарекомендовал себя в качестве эффективного инструмента проектирования ресурсосберегающих систем водного хозяйства промышленных предприятий и успешно применяется для этих целей в Великобритании, России, Италии, ЮАР, Украине, Польше, Румынии. В третьей главе изложена процедура проектирования интегрированной ресурсосберегающей ВХТС (И-ВХТС) производства по выпуску стекломатериалов. Первый раздел посвящен разработке структуры И-ВХТС производства по выпуску стекломатериалов. В табл. 1. приведены исходные данные для проектирования структуры целевой И-ВХТС производства по выпуску стекломатериалов на базе индивидуальных ВХТС (соответствующих отдельным технологическим участкам). При проектировании во внимание принимали не только данные для трех основных потоков (ВХТС-1, ВХТС-2, ВХТС-3), но и для частных подпотоков этих технологических участков - в сумме для 12-ти подпотоков (см. табл. 1). Такая детализация имеет целью повышение надежности результатов проектирования и расширяет возможности при принятии решения об оптимальном варианте разделения - смешивания водных технологических потоков производства в целом. Таблица 1. Исходные данные для проектирования структуры целевой И-ВХТС производства по выпуску стекломатериалов № ВХТС

Похожие:

	Планирование производства и реализации продукции Вопросы для обсуждения... Какие показатели содержатся в годовом плане производства? Как взаимодействует система плановых показателей?		Министерство сельского хозяйства РФ федеральное государственное образовательное... Омский институт водного транспорта (филиал) фбоу впо «Новосибирская государственная академия водного транспорта»
	Технологическая и структурная модернизация основных фондов сельскохозяйственных... Охватывает условия воспроизводства основных факторов интенсификации производства. Нерациональная структура затрат на обновление материально-технических...		"Технологическая подготовка производства" Разработка технологического процесса механической обработки детали типа вал-червяк
	Учебно-методический комплекс дисциплины «Автоматизированное управление... Специальность – 240802. 65, Основные процессы химических производств и химическая кибернетика		Министерство сельского хозяйства и продовольствия республики татарстан... Рекомендации рассмотрены и рекомендованы к печати Ученым советом гну «Татарский научно-исследовательский институт сельского хозяйства...
	«организация производства на предприятиях торговли» Предмет и метод науки организации производства. Организация произ­водства как система научных знаний и область практической деятельности....		Министерство сельского хозяйства Институт свиноводства и агропромышленного производства наан украины им. А. В. Квасницкого
	Регистрационная форма для участия в IV межвузовской научно-практической... Омский институт водного транспорта (филиал) фбоу впо «Новосибирская государственная академия водного транспорта»		Рабочая программа учебной дисциплины «химия» Рабочая программа учебной дисциплины Химия для специальностей среднего профессионального образования технического профиля: 110809...
	Рабочая программа учебной дисциплины «процессы и аппараты химической технологии» Моделирование химико-технологических процессов (8-й семестр), Химические реакторы (7-ой семестр), Системы управления химико-технологическими...		Введеhие Одним из важнейших условий успешного выполнения програм­мы интенсификации народного хозяйства является комплексная автоматизация...
	Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... «товарное хозяйство» и «рыночное хозяйство». В принципе, здесь нет особого противоречия, поскольку рынок – неотъемлемый компонент...		Отчет о результатах самообследования областного автономного образовательного... Оаоу спо «Новгородский химико-индустриальный техникум» провел самообследование с целью обеспечения доступности и открытости информации...
	Конкурс лучших учителей общеобразовательных учреждений для денежного... Н. Ю. Шеленкова преподает биологию в 6-11 классах гимназии на базовом и профильном уровнях. Являлась организатором работы химико-биологического...		Программа элективного курса по биологии для учащихся 10-х классов... Программа предназначена для изучения курса «Микробиология» в классах химико-биологического профиля и рассчитана на 34 часа, 1 час...