Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

“КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”

УДК 628.16:658.512:681.5

АНАЛІЗ ТА ПРОЕКТУВАННЯ ТЕХНОЛОГІЧНИХ СХЕМ ПРОМИСЛОВОГО ВОДОСПОЖИВАННЯ

05.17.21. - Технологія водоочищення

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

ШАХНОВСЬКИЙ АРКАДІЙ МАРКУСОВИЧ

Київ - 2006



Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі кібернетики хіміко-технологічних процесів Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут” Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Статюха Геннадій Олексійович Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, завідувач кафедри кібернетики хіміко-технологічних процесів

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Запольський Анатолій Кирилович Національний університет харчових технологій Міністерства освіти і науки України (м. Київ), професор кафедри біохімії та екології харчових виробництв

кандидат технічних наук, доцент Саблій Лариса Андріївна Національний університет водного господарства та природокористування Міністерства освіти і науки України (м. Рівне), доцент кафедри водовідведення, теплогазопостачання та вентиляції

Провідна установа: Національний університет “Львівська політехніка” Міністерства освіти і науки України, кафедра хімії та технології неорганічних речовин.Захист відбудеться “24” травня 2006 р. о 16 годині 30 хвилин на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.002.13 в Національному технічному університеті України “Київський політехнічний інститут” за адресою: 03056, м. Київ, просп. Перемоги, 37, корп. 4, велика хімічна ауд.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці в Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут” за адресою: 03056, м. Київ, просп. Перемоги, 37.

Автореферат розісланий “ 20 ” квітня 2006 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д 26.002.13, к.т.н., доц. Т.І. Мотронюк



АНОТАЦІЇ

Шахновський А.М. Аналіз та проектування технологічних схем промислового водоспоживання. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.17.21. - Технологія водоочищення.- Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, Київ, 2006. водоспоживання технологічний промисловий

Робота присвячена розробці методів підтримки проектних рішень при проектуванні технологічних схем промислового водоспоживання. Розроблено математичну модель схеми водоспоживання на основі рівнянь матеріального балансу одиниць, що впливають на якісний склад води на підприємстві. Сформульовано сукупність критеріїв оптимізації схем водоспоживання та доведено ефективність критерію оптимізації, що передбачає мінімізацію питомих фінансових втрат у процесі водоспоживання.

Вперше запропоновано методологію технологічного проектування схем промислового водоспоживання, що включає концептуальний аналіз схеми водоспоживання та синтез оптимальної схеми із використанням математичної моделі схеми водоспоживання та техніко-економічного критерію оптимізації. Вперше в області проектування технологічних схем водного господарства запропоновано підхід, що базується на задачі математичного програмування до виконання графоаналітичного концептуального аналізу схем водоспоживання, водовідведення та водоочищення.

На основі запропонованих методологічних підходів розроблено алгоритмічне забезпечення для синтезу технологічних схем оптимального водоспоживання.

Випробування результатів дослідження здійснене на промислових об'єктах. Запропоновані у рамках даного дослідження рішення щодо оптимізації водного господарства прийнято до впровадження у Відкритому акціонерному товаристві “Фармак” (м. Київ), та хлібозаводі №3 Відкритого акціонерного товариства “Житомирхліб” (м. Житомир). На підставі проведених досліджень обґрунтовано можливість впровадження на згаданих виробництвах повторно-багаторазового водоспоживання із значним зменшенням обсягу скидання стічних вод до міської каналізаційної мережі. Розроблені математичні моделі та алгоритмічне забезпечення знайшли застосування в наукових дослідженнях та навчальному процесі на кафедрі кібернетики хіміко-технологічних процесів Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут” (м. Київ), та на хімічному факультеті Жешувського технологічного університету (м. Жешув, Польща).

Ключові слова: стічна вода, водоспоживання, водовідведення, очищення води, математичне моделювання, математичне програмування, пінч-аналіз.



Shakhnovsky A.M. The analysis and design of industrial water usage networks. - The manuscript.

Thesis for a candidate degree in speciality 05.17.21. - Water-treatment technology. - National technical university of Ukraine “Kiev polytechnic institute”, Kyiv, 2006.

The research focuses on investigating the methods of analysis and design of industrial water usage networks with the aim of intensifying the processes of waste water treatment as well as reducing natural water usage.

Mathematical models of water usage network components and networks as a whole have been worked out. The peculiarities of the mathematical calculations are predetermined by the requirements to the models, namely, the necessity of stating the waste water streams composition by the known bulk losses and generally accepted assumptions and simplifications.

Optimization criterion of technical and economic character has been calculated and proved to be most effective. The research works out the industrial water usage networks integration based on mathematical models of water usage units. The thesis applies methodology of conceptual analysis for revealing potential possibilities of water economy. The thesis contains methodology of cost estimation on the water usage networks implementation. The conceptions and algorithms developed were implemented to retrofit design of water usage systems of “Farmak” pharmaceutical plant (Kiev) an 3^rd bakery plant of Zhitimir city, as well as in research and educational activities.

Keywords: wastewater, water usage, water drain, water treatment, mathematical modelling, mathematical programming, pinch analysis



Шахновский А.М. Анализ и проектирование технологических схем промышленного водопотребления. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.17.21. - Технология водоочистки. - Национальный технический университет Украины “Киевский политехнический институт”, Киев, 2006.

Работа посвящена методам анализа и проектирование технологических схем промышленного водопотребления для интенсификации процессов очистки сточных вод, уменьшения потребления природных вод.

Для отечественных промышленных предприятий характерно, как правило, недостаточное внедрение ресурсосберегающих технологий, в том числе недостаточная экономия водных ресурсов. В условиях ограниченных водных ресурсов рост объема промышленного производства неминуемо приведет к ужесточению норм отпуска и резкому удорожанию чистой воды уже в ближайшие годы. Актуальной в связи с этим является и проблема промышленных сточных вод.

Разработка научно обоснованных методов и средств предотвращения вредных влияний на водную среду предусматривает повышение эффективности процессов применения воды на всех этапах ее “жизненного цикла”. Речь идет о повышении интенсивности как процессов очистки природных и сточных вод, так и процессов водопотребления и водоотведения как определяющего звена водного хозяйства. Повышение эффективности процессов очистки воды может быть достигнуто и путем уменьшения объемов потребления воды. Последнее влечет за собой уменьшение объемов образования и увеличение степени концентрированности сточных вод, поступающих на очистку.

Предложена процедура структурной оптимизации технологических схем промышленного водопотребления, водоотведения и водоочистки, базирующаяся на детерминированных математических моделях единиц водопотребления. Данная процедура может быть использована для поддержки принятия проектных решений как на этапе проектирования нового предприятии, так и при модернизации предприятия. Разработанная процедура использует инструментарий концептуального пинч-анализа для определения потенциальных возможностей водного хозяйства с точки зрения водосбережения, и комбинаторного синтеза для генерации проектных решений относительно повышения эффективности использования воды, оптимального водоснабжения и водоотведения.

Упомянутая процедура синтеза технологических схем водопотребления, водоотведения и водоочистки основана на сформулированной в работе модели схемы водопотребления, водоотведения и водоочистки в целом, и технико-экономическом критерии оптимальности технологических схем. Данная модель сформулирована на основе математических моделей потребителей воды и процессов локальной очистки воды.

Предложен также новый метод проведения пинч-анализа как специальной составляющей части процедуры синтеза схем водопотребления, водоотведения и водоочистки. Традиционная пинч-методология является графоаналитической, требует построения специальных диаграмм, и трудно формализуется. Водный пинч-анализ в предложенной форме основан на методологическом аппарате традиционного пинч-анализа, однако является полностью аналитическим, и базируется на решении задачи математического программирования.

На основе разработанных концепций создано алгоритмическое обеспечение. Разработанный алгоритм расчета технологических схем водопотребления, водоотведения и локальной очистки воды может использоваться как самостоятельно, для проектирования оптимальных технологических схем водопотребления и водоотведения, так и в составе созданного ранее пакета алгоритмов “Экология”, предназначенного для проектирования химико-технологических схем и их элементов.

Разработанные алгоритмы были использованы для расчетов по проектированию технологической схемы водопотребления, водоотведения и водоочистки участка целлюлозно-бумажного предприятия, подготовки обосновывающих материалов относительно реконструкции схем водопотребления и водоотведения участков производства на ОАО “Фармак” (г. Киев), и хлебозавода №3 ОАО “Житомирхлеб” (г. Житомир). Изучены балансы водопотребления и водоотведения объектов исследования, обоснованы проектные решения, касающиеся оптимального водопотребления и водоотведения. В частности, по результатам опытно-промышленной эксплуатации оптимизированной схемы водопотребления и водоотведения хлебозавода №3 ОАО “Житомирхлеб” достигнуто снижение водопотребления и уменьшение объемов образования сточных вод в среднем на 11%.

Анализ вариантов схем очистки стоков исследованных предприятий до и после оптимизации показывает уменьшение ожидаемых суммарных годовых приведенных затрат на очистку сточных вод, образуемых оптимизированной схемой водопотребления, в среднем на 15 % по сравнению со схемой до оптимизации.

Разработанные математические модели и алгоритмическое обеспечение нашли применения в научных исследованиях и учебном процессе на кафедре кибернетики химико-технологических процессов Национального технического университета Украины “Киевский политехнический институт” (г. Киев), и на химическом факультете Жешувского технологического университета (г. Жешув, Польша).

Ключевые слова: сточная вода, водопотребление, водоотведение. очистка воды, математическое моделирование, математическое программирование, пинч-анализ.



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Раціональне використання сировинних і енергетичних ресурсів є однією з найбільш значимих проблем сучасності. Зокрема, надзвичайно важливою є необхідність захисту і збереження водних ресурсів. Наша країна належить до досить вододефіцитних регіонів планети: загальні запаси водних ресурсів України на одну людину в маловодні роки складають близько 1 тис., і ця величина є суттєво меншою за відповідні показники багатьох країн.

Розвиток промисловості, на яку сьогодні припадає майже 45% загального водоспоживання, гостро ставить проблему очищення промислових стічних вод, кількість яких зростає з ростом водоспоживання і вимагає значних витрат на створення та експлуатацію ефективних і надійних очисних систем і споруд. В цих умовах значна частка стічних вод досі потрапляє до навколишнього середовища без належного очищення.

Розробка водоохоронних заходів і технологій у масштабах промислового підприємства передбачає інтенсифікацію пов'язаних між собою етапів “життєвого циклу” води, тобто підвищення ефективності як процесів очищення природних та стічних вод, так і процесів водоспоживання та водовідведення. Створення нових схем оптимального водоспоживання досягається, зокрема, впровадженням науково обґрунтованих циклів повторно-багаторазового та оборотного водоспоживання з метою використання наявних резервів зниження водомісткості продукції. При цьому зменшується потреба у свіжій воді та скорочуються обсяги утворення стічних вод, що зумовлює відповідне зниження навантаження на системи очищення.

Сказане свідчить про актуальність досліджень, спрямованих на розробку та впровадження процедур підтримки прийняття рішень для проектування оптимальних технологічних схем водопостачання та водовідведення, які б забезпечували максимально повне використання води на підприємствах і зниження витрат на експлуатацію систем очищення води.

Зв`язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційну роботу виконано у рамках наукового напрямку кафедри кібернетики хіміко-технологічних процесів Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут” - “Новітні технології та ресурсозберігаючі технології в енергетиці, промисловості та агропромисловому комплексі” у відповідності до державних програм України, що стосуються охорони навколишнього середовища, у рамках постанови Кабінету Міністрів України від 22.06.1994р. № 429 „Про реалізацію пріоритетних напрямків розвитку науки і техніки”, постанови Верховної Ради України “Про концепцію розвитку водного господарства України”, №1390-ХIV, 14.01.2000 р.

Дослідження, результати яких представлено у даній роботі, проводилися у рамках проекту Європейського Союзу ”Environment Friendly Chemical Processes with Computer Aided Modeling, Design and Control” (“COMODEC”), угода № C1M1-CT-2002-04057.

Мета і задачі досліджень. Метою роботи є розробка методів аналізу та проектування технологічних схем промислового водоспоживання та водовідведення для інтенсифікації очищення стічних вод і зменшення споживання природних вод. Для досягнення цієї мети у роботі сформульовано та розв`язано такі задачі:

-- дослідження особливостей водоспоживання та водовідведення як складових частин технологічного процесу виробництва цільового продукту;

-- формулювання математичної моделі технологічної схеми водоспоживання та водовідведення;

-- розробка алгоритмічного забезпечення для проектування технологічних схем промислового водоспоживання;

-- перевірка методології системного проектування схем водоспоживання та водовідведення на промислових об'єктах;

-- вироблення та впровадження рекомендацій щодо оптимізації водного господарства промислових підприємств.

Об`єкт дослідження - технологічні схеми промислового водоспоживання, водовідведення та локального очищення води (в подальшому - СВВО).

Предмет дослідження - структура технологічних схем промислового водоспоживання, водовідведення та локального очищення води.

Методи дослідження. В роботі використано теоретичні та експериментальні методи дослідження. Застосовано розрахунково-аналітичний метод дослідження, що передбачає вимірювання об'ємів фактичного водоспоживання за результатами обстеження обладнання та систем, стандартні методи аналізу води на різних стадіях її “життєвого циклу” на промисловому підприємстві, експертні опитування. Використано методи статистичної обробки результатів вимірів та експертних даних. Застосовано методи системного аналізу для створення математичної моделі СВВО, обчислювальний експеримент для дослідження ефективності проектних рішень, що пропонуються, а також сучасне апаратне та програмне забезпечення для розв'язання поставлених задач.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що в роботі:

- розроблено математичну модель СВВО на основі моделей одиниць, що впливають на якісний склад води на підприємствах, яка описує СВВО як одне ціле і дозволяє більш повно оцінити процеси водоспоживання, водовідведення та водоочищення у їх взаємозв'язку;

- сформульовано техніко-економічний критерій оптимальності СВВО, що передбачає мінімізацію питомих фінансових втрат у процесі водоспоживання і сприяє не тільки економії води, а й зменшенню сумарних фінансових витрат на експлуатацію схем водоспоживання, водовідведення та водоочищення;

- вперше запропоновано комбіновану методологію генерації проектних рішень при проектуванні СВВО. Ця методологія поєднує концептуальний аналіз схем водоспоживання та синтез оптимальних схем із використанням математичної моделі СВВО та техніко-економічного критерію оптимальності, і дає змогу пропонувати проектувальникові системні рішення щодо оптимізації водоспоживання та водовідведення промислового підприємства;

- вперше в галузі проектування технологічних схем водного господарства запропоновано новий метод проведення пінч-аналізу як спеціальної концептуальної складової частини процедури синтезу СВВО. Водний пінч-аналіз у пропонованій формі є повністю аналітичним (тобто не містить графічного етапу) і базується на вирішенні задачі математичного програмування.

Практичне значення одержаних результатів визначається їх спрямованістю на підвищення ефективності промислового водоспоживання, водовідведення та водоочищення. Практично важливими є наступні результати:

з використанням системного підходу розроблено процедуру підтримки прийняття проектних рішень щодо оптимального водоспоживання та водовідведення, яка може застосовуватися для оптимізації схем водного господарства широкого класу підприємств хімічної та споріднених галузей;

на основі запропонованих методологічних підходів розроблено алгоритмічне забезпечення для синтезу СВВО. Спільне використання згаданого алгоритмічного забезпечення з пакетом прикладних алгоритмів “Екологія”, створеним на кафедрі кібернетики хіміко-технологічних процесів НТУУ “КПІ”, забезпечує автоматизацію процесу технологічного проектування об'єктів водного господарства на кожному з етапів “життєвого циклу” води на підприємстві;

випробування результатів дисертаційного дослідження здійснене на промислових об'єктах. Так, запропоновані у рамках даного дослідження рішення щодо оптимізації водного господарства прийнято до впровадження у Відкритому акціонерному товаристві “Фармак” (м. Київ), та хлібозаводі №3 Відкритого акціонерного товариства “Житомирхліб” (м. Житомир). На підставі проведених досліджень обґрунтовано впровадження на згаданих виробництвах повторно-багаторазового водоспоживання із значним зменшенням обсягу скидання стічних вод до міської каналізаційної мережі.

Достовірність отриманих результатів підтверджується адекватністю розроблених математичних моделей за відомими критеріями оцінки досліджуваних процесів, використанням визнаних положень фундаментальних наук, збіжністю отриманих теоретичних результатів з результатами дослідно-промислової експлуатації створеної СВВО, та результатами досліджень інших авторів.

Особистий внесок здобувача. Основні наукові результати, наведені у дисертації, одержані автором самостійно.

У спільних публікаціях особистий вклад автора полягає в наступному: у [1] автором запропоновано математичні залежності для проведення пінч-аналізу найпростішого випадку схеми водоспоживання (одна забруднююча домішка, одне джерело свіжої води) у рамках концептуальної ідеології проектування схем промислового водоспоживання та водовідведення. У [2, 5, 6] автором на основі ідей, опублікованих раніше співавторами даних робіт, запропоновано математичну модель для опису СВВО та комбінаторний спосіб проектування оптимальної структури СВВО для випадків створення та модернізації промислових підприємств. Автор брав безпосередню участь у розробці запропонованої у [3] концептуально-комбінаторної методології та виконав розрахунки оптимальних схем водоспоживання для підтвердження ефективності даної методології. В роботі [4] автору належить обґрунтування ролі концептуального пінч-методу в проектуванні водних систем, а у роботі [7] - критичний аналіз існуючих методів підвищення ефективності процедур синтезу схем водоспоживання та математичне формулювання аналітичного методу проведення пінч-аналізу СВВО.

Апробація результатів дисертації. Основні результати і головні положення роботи доповідались на наступних наукових форумах: Міжнародній науково-технічній конференції “Сучасні проблеми хімічної технології неорганічних речовин” (м. Одеса, 2001 рік); XIV міжнародній науковій конференції “Математичні методи в техніці та технологіях” (м. Смоленськ, 2001 рік); XV Міжнародному конгресі хімічної та процесової інженерії “CHISA 2002” (м. Прага, 2002 рік); XV міжнародній науковій конференції “Математичні методи в техніці та технологіях” (м. Тамбов, 2002 рік); XVI міжнародній науковій конференції “Математичні методи в техніці та технологіях” (м. Ростов-на-Дону, 2003 рік); XVII міжнародній науковій конференції “Математичні методи в техніці та технологіях” (м. Кострома, 2004 рік); щорічних міжнародних науково-практичних конференціях студентів, аспірантів та молодих вчених "Екологія. Людина. Суспільство" (м. Київ, 2001 - 2005 роки), Муніципальній науково-практичній конференції студентів, аспірантів та молодих вчених "Крок у майбутнє" (м. Київ, 2001 рік); І та ІІ Міжнародних водних форумах “Аква-Україна” (м. Київ, 2003, 2004 роки); І Міжнародному семінарі “Інтеграція процесів та моделювання хроматографічних процесів” (м. Жешув, 2004 рік), ІІ Міжнародній конференції “Співробітництво для вирішення проблеми відходів” (м. Харків, 2005 рік).

Публікації. Основний зміст роботи викладений у восьми статтях у провідних фахових виданнях, та тезах чотирнадцяти наукових конференцій і семінарів.

Об'єм та структура дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, чотирьох розділів, загальних висновків, списку використаних літературних джерел (182 найменування) та 4 додатків на 9 сторінках. Загальний обсяг роботи 174 сторінок, у тому числі, 165 сторінок основного тексту, 12 таблиць та 24 рисунки.



ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, сформульовано мету та задачі дослідження, визначено об'єкт і предмет дослідження, наукову новизну і практичне значення роботи, особистий внесок здобувача, наведено відомості про апробацію, публікації, відомості про використання результатів досліджень.

У першому розділі на підставі критичного аналізу літературних першоджерел досліджено специфічні особливості складових частин водного господарства промислових підприємств; визначено зв'язки між процесами очищення природних та стічних вод, процесами водопостачання, водоспоживання, водовідведення. У розділі обґрунтовано можливість непрямої інтенсифікації окремих процесів очищення природних та стічних вод і схем водоочищення в цілому шляхом підвищення ефективності промислового водоспоживання та водовідведення.

У розділі наведено також аналіз підходів, що застосовуються в сучасній світовій практиці проектування технологічних схем промислового водоспоживання та водовідведення. Досліджується генезис концептуальних методів проектування водних систем (графоаналітичної водної пінч-методології) як розвитку та продовження концептуальних методів проектування систем теплообміну та масообміну. Окреслюються недоліки традиційної пінч-методології, зокрема, складність методологічного апарату, необхідність побудови спеціальних діаграм на етапах пінч-аналізу та синтезу СВВО. Аналізуються особливості застосування комбінаторних методів синтезу хіміко-технологічних систем у випадку проектування схем водоспоживання та водовідведення. Визначаються слабкі місця комбінаторного підходу як такого, що вимагає застосування значних обчислювальних потужностей.

В останні роки вітчизняними та зарубіжними фахівцями багато зроблено для розвитку системних уявлень щодо проектування оптимальних схем водного господарства, впровадження повторно-багаторазового та замкненого водоспоживання. Однак, все ще потребують розробки питання адекватного математичного опису технологічних одиниць, що впливають на якісні показники води на підприємстві, та СВВО в цілому, наукового обґрунтування ефективної процедури генерування оптимальних проектних рішень при розробці СВВО. У цьому зв'язку формулюється задача розробки процедури підтримки рішень щодо оптимального водоспоживання та водовідведення при проектуванні схем водного господарства промислових підприємств.

Другий розділ присвячено питанням дослідження та математичного опису складових частин технологічних схем водного господарства підприємства.

Так, при описі технологічних процесів, що споживають воду, приймаються наступні припущення та спрощення:

- забрудненням води є як зміна її компонентного складу (за рахунок розчинних та нерозчинних домішок), так і інші зміни, що перешкоджають подальшому цільовому застосуванню води (наприклад, зміна фізико-хімічних характеристик води - температури, електричної провідності тощо);

- у якості загальної моделі технологічного процесу прийнято модель протиточного масообмінного апарату;

- зміна концентрації забруднюючих домішок у потоках за рахунок масообміну є незначною порівняно із масовими витратами потоків;

- для математичного опису рівноваги процесу масообміну прийнято лінійні залежності;

- відхилення від усталеного режиму масообміну є незначними;

- масообмін для кожної з груп забруднювачів здійснюється незалежно;

- поперечне перемішування у апараті є ідеальним.

Для моделювання масообмінних процесів традиційно використовується система рівнянь, що включає рівняння Нав'є-Стокса, рівняння нерозривності потоку, рівняння конвективної дифузії у поєднанні з функціональними залежностями фізичних властивостей фаз від їхнього складу, та поправками, що враховують турбулентність потоку.

Така математична модель охоплює широкий клас характеристик процесів масообміну. Однак відомо, що розв'язок даної системи у загальному вигляді викликає значні труднощі. На практиці для її розв'язку застосовуються чисельні методи. В той же час, специфіка автоматизованого проектування вимагає розрахунку великої кількості варіантів схем, що при відсутності аналітичного розв'язку даної моделі унеможливлює процес проектування з наявними у сучасного проектувальника обчислювальними потужностями. Тому з урахуванням наведених припущень та спрощень із загального математичного опису протиточного масообмінного процесу отримано балансову модель (1)-(3), яку прийнято у якості математичного опису технологічного процесу, що споживає воду: де , - концентрації -тої забруднюючої домішки у воді відповідно на вході і виході процесу-водоспоживача; - витрата води; , - концентрації -тої забруднюючої домішки в збагаченій фазі-джерелі забруднювача відповідно на вході і виході процесу; - масова витрата збагаченої фази; -характеристика масообміну, яка являє собою масу забруднюючої домішки , що переходить із збагаченої фази до води при заданій витраті (масове навантаження); - загальна кількість значимих забруднюючих домішок.

Основними блоками математичного опису процесів локального очищення води виступають апарати ідеального змішування та витіснення. Поєднання у різних комбінаціях цих елементарних ланок дозволяє моделювати гідродинамічні режими довільної складності. При цьому, завдяки просторовій дискретизації, здійснюється перехід від моделей із розподіленими параметрами до моделей із зосередженими параметрами. Моделі апаратів локального очищення води, прийняті у роботі, базуються на згаданих моделях із урахуванням специфіки проектування СВВО. Оскільки в дисертації не було поставлено задач вибору очисного обладнання та розрахунку його конструктивних параметрів, то застосовувана математична модель трактує процес локального очищення води як такий, що знижує концентрацію забруднюючої домішки в потоці води, від значення до значення : де - певна відома функція; - коефіцієнт видалення -тої забруднюючої домішки, ; -масова витрата води для апарата часткового очищення води (у відсутності втрат води).

У відповідності до функціонального призначення моделей процесів локального очищення води, виділено дві групи процесів очищення води. Для першої з них (екстракція, термічна обробка води тощо) характерне фіксоване значення концентрації забруднювача на виході, що відповідає рівноважному значенню .

Для другої групи (механічне, біологічне очищення тощо) концентрація на виході не залежить від масової витрати води (у певному заданому діапазоні значень масової витрати), але, як видно з рівняння (7), є функцією вхідної концентрації і відомого значення коефіцієнта видалення забруднюючої домішки.

Параметрична ідентифікація моделей обладнання у складі СВВО передбачає, насамперед, визначення значення параметру у виразах (4), (5). У роботі показано, що експериментально-статистичні методи ідентифікації математичних моделей шляхом безпосереднього аналізу складу потоків дають статистично надійні результати у випадку налагодженого технологічного процесу і мінімального впливу зовнішніх факторів на вимірювані величини.

У третьому розділі обґрунтовано математичну модель схеми водоспоживання промислового підприємства, яка базується на описі (4)-(7) процесів, що впливають на якісний склад води. У розділі запропоновано спосіб знаходження структури оптимальної схеми водоспоживання шляхом вирішення задачі математичного програмування (8)-(16) в результаті системної редукції узагальненої схеми водоспоживання. де - кількість технологічних процесів, що споживають воду; - кількість зовнішніх відносно джерел водопостачання; - кількість забруднюючих домішок; - кількість процесів локального очищення води; - структурні параметри - масова витрата для потоку від -го джерела водопостачання до -го водоспоживача; - структурні параметри - масова витрата для потоку з виходу -го водоспоживача, до входу -го водоспоживача (у тому числі, значення структурних параметрів , що відповідають потоку від -того процесу до -ї схеми локального очищення води та значення , що відповідають потоку від -ї схеми локального очищення води до -того водоспоживача); та -зведені питомі вартості відповідно свіжої води і води повторного використання.

З системи (8)-(16) видно, що модель СВВО в цілому стала основою системи обмежень (9)-(16); вираз (8) є техніко-економічним критерієм оптимізації.

Поширений у практиці проектування схем водоспоживання критерій оптимальності містить першу складову виразу (8). У роботі обґрунтовано обчислювальну ефективність інших критеріїв оптимальності проектних рішень, зокрема таких, що враховують витрати і вартість води повторного використання (друга складова частина виразу (8)) та взаємний вплив потоків у системі. Порівняння критеріїв оптимальності здійснено шляхом обчислювального експерименту з використанням реальних задач синтезу СВВО, взятих із літератури.

Запропонований у роботі підхід до проектування схем водоспоживання відрізняється від методу структурних параметрів, який застосовується при проектуванні хіміко-технологічних схем, насамперед, видом структурних параметрів. На відміну від традиційних структурних параметрів, що є дискретними (бінарними) величинами, в даній роботі використано неперервні розмірні структурні параметри.

В розділі систематизовано заходи, що мають на меті подолати обчислювальні труднощі під час розрахунку оптимальних схем водоспоживання (велика розмірність задачі, можлива наявність локальних оптимумів) і гарантувати отримання оптимального розв'язку. Розглянуто шляхи підвищення ефективності розрахунків по оптимізації СВВО. Сформульовано переваги та недоліки таких підходів, як трансформація задачі проектування СВВО і спрощення моделі шляхом видалення заздалегідь неоптимальних варіантів. При цьому обґрунтовано можливість створення та описано концептуально-комбінаторну методологію проектування СВВО на основі концептуального водного пінч-аналізу у сполученні з комбінаторними методами синтезу технологічних схем.

Оскільки ефективність згаданої концептуально-комбінаторної процедури обмежена слабкою формалізованістю її першої (концептуальної) стадії, у роботі сформульовано новий метод проведення пінч-аналізу як спеціальної складової процедури розрахунку оптимальних СВВО. Відповідно до цього методу, задача концептуального аналізу схем водоспоживання та водовідведення представляється та вирішується у вигляді задачі неперервного лінійного програмування (у випадку однієї забруднюючої домішки) або задачі частково-цілочисельного лінійного програмування (у випадку кількох забруднюючих домішок).

Запропонований у роботі спосіб проведення концептуального пінч-аналізу СВВО має ряд переваг над традиційним графоаналітичним способом. Найбільш вагомими з них є високий ступінь формалізованості та можливість врахування кількох джерел водопостачання.

Запропоновано також спосіб оцінки доцільності впровадження оптимізованої схеми водоспоживання у залежності від ринкової ситуації, що передбачає варіювання вартісних складових чистого економічного ефекту в області ймовірних значень останніх.

Четвертий розділ присвячений розробці принципових технічних рішень щодо структурної оптимізації схем промислового водоспоживання, водовідведення та водоочищення.

Серед задач, що їх вирішено у розділі - розширення можливостей пакету алгоритмів “Екологія” за рахунок розробки на основі моделі (11)-(16) компонента для підтримки прийняття рішень при проектуванні схем водоспоживання, водовідведення та локального очищення води. Пакет “Екологія” створений на кафедрі кібернетики хіміко-технологічних процесів НТУУ “КПІ” і призначений для проектувальників, що займаються дослідженням і розрахунками технологічних схем та їх елементів, в тому числі, схем водоочищення та очищення газових викидів.

Розроблене алгоритмічне забезпечення застосовано для генерації проектних рішень при створенні СВВО ділянки целюлозно-паперового комбінату та при модернізації СВВО ділянок фармацевтичного і харчового виробництва. В розділі наведено коротку характеристику підприємств-об'єктів дослідження, баланси водоспоживання та водовідведення досліджуваних ділянок виробництв. Обґрунтовано проектні рішення щодо оптимального водоспоживання та водовідведення.

У якості процесу локального очищення в схемі водоспоживання ділянки целюлозно-паперового виробництва застосовано напірну флотацію. Цей метод очищення забезпечує високий ступінь очищення (до 98%) стічних вод від нерозчинних домішок та завислих речовин і характеризується малим часом перебування стічних вод у флотаційних установках (час перебування складає в середньому 20-30 хвилин).

Синтез оптимальної СВВО зводиться до редукції узагальненої СВВО шляхом розв'язання задачі оптимізації (8)-(16), з урахуванням результатів попереднього пінч-аналізу.

Як приклад оптимізації схем водоспоживання при модернізації підприємств наведено оптимізацію структури водоспоживання ділянок підприємств фармацевтичної та харчової промисловості.

За результатами обстежень водного господарства фармацевтичного підприємства спеціалістами даного підприємства запропоновано комплекс організаційних заходів. Наступний моніторинг стану водного господарства показав, що впровадження згаданих заходів дозволило зменшити загальний обсяг споживання питної води на 17%, в тому числі, на технологічні потреби - на 19%. Завданням автора даної роботи було вироблення рекомендацій щодо структурної оптимізації СВВО досліджуваної ділянки виробництва, що включає шістнадцять водоспоживачів.

Під час роботи по підготовці даних до розрахунку здійснено параметричну ідентифікацію математичних моделей одиниць водоспоживання за експериментальними даними. Так, визначено параметр математичної моделі (2) - масове навантаження по завислих речовинах для автоматичних машин миття флаконів, призначених для фасування цільового продукту. Для цього на протязі періоду досліджень вивчено 78 проб води. Результати вимірів концентрацій на вході та виході процесу, відповідні значення масової витрати води використовували для визначення величини масового навантаження.

У якості оцінки величини масового навантаження прийняте вибіркове середнє відповідних вимірів. Таке припущення є справедливим у випадку нормального розподілу вимірюваної величини. Перевірку гіпотези щодо нормального розподілу генеральної сукупності було здійснено графоаналітичним методом та за критерієм згоди Колмогорова-Смирнова. Статистичні характеристики досліджуваної вибірки наступні: об'єм вибірки =78; вибіркове середнє =0,5 мг/л; стандартне відхилення =0,0091 мг/л; довірчий інтервал D+: 0,049; D-: 0,054. За результатами розрахунків з рівнем значимості q=0,15 гіпотеза щодо нормального розподілу приймається.

Із використанням розробленого у дисертаційній роботі алгоритму отримано СВВО, що забезпечує мінімум питомих втрат коштів в процесі водоспоживання. Після впровадження оптимальної технологічної схеми водоспоживання ділянки фармацевтичного виробництва планується зниження споживання свіжої води з 11 тис. до 8,5 тис. . Отже економія свіжої води в даному випадку складає 21%.

У розділі обґрунтовано доцільність впровадження оптимізованої СВВО. Для цього було порівняно величини очікуваного чистого економічного ефекту при різних значеннях вартісних складових останнього - , , (відповідно питомі вартості свіжої води і умовно-чистої води повторного використання та коефіцієнт пропорційності постійних витрат, ). Річні витрати свіжої води до оптимізації складають близько 3,9 млн. , свіжої води після оптимізації -3,1 млн. .

Наведено результати розрахунків щодо оцінки економічного ефекту від впровадження оптимізованої схеми водоспоживання для випадку “малих” постійних витрат (коефіцієнт пропорційності постійних економічних витрат до масової витрати оборотної води складає 0,03 ). При цьому додатній економічний ефект від впровадження СВВО очікується у тій частині випадків, що відповідають високій вартості свіжої води.

З метою оцінки впливу факту оптимізації схеми водоспоживання та водовідведення на вартість очищення стоків проведено обчислювальний експеримент. З використанням вищезгаданого пакету “Екологія” згенеровано за техніко-економічним критерієм множину можливих варіантів схем очищення стічних вод, що утворюються розглядуваною ділянкою фармацевтичного підприємства, для випадків до та після впровадження оптимальної схеми водоспоживання.

Описаний чисельний експеримент показує зменшення очікуваних сумарних зведених витрат на очищення стічних вод, що утворюються оптимізованою схемою водоспоживання, у середньому на 15% порівняно зі схемою до оптимізації. Таким чином, оптимізація стадії водоспоживання безпосередньо впливає на значення сумарних зведених витрат на очищення стічних вод, тобто є фактором оптимізації етапу водоочищення.

В рамках оптимізації водоспоживання підприємства харчової промисловості - хлібозаводу, - запропоновано до впровадження комплекс заходів, серед яких, зокрема, впровадження практики регулювання витрат води на охолодження компресорних установок за температурою води на виході з кожухів компресора та за температурним станом вузлів компресора, збільшення ступеню повернення конденсату від пароспоживачів за рахунок максимально повного використання конденсаційних горщиків, із наступним максимальним поверненням конденсату до збірника у котельній, впровадження циркуляційної системи, що сполучає котли-утилізатори, встановлені у газоходах хлібопекарських печей, із баком гарячої води (при цьому досягається економія гріючої пари за рахунок утилізації теплоти газових викидів). У рамках програми модернізації підприємства замінено водяні холодильні установки на ділянці приготування охолодженої технологічної води на повітряні холодильні установки.

Розрахунки щодо структурної оптимізації схеми водоспоживання за моделлю (8)-(16) дозволяють обґрунтувати можливість повторного використання умовно-чистої води після процесів охолодження заварки у заварочних машинах та дріжджовому відділенні, для миття обладнання, чанів та інвентарю.

Впровадження згаданих заходів на хлібозаводі дозволило досягти значної економії води. Так, із початку експлуатації оптимізованої схеми (ІІ квартал 2004 року) досягнуто зниження споживання свіжої води у середньому на 11%.



ВИСНОВКИ

1. Виходячи з необхідності впровадження в промисловості ресурсозберігаючих технологій, підвищення ефективності процесів очищення природних та стічних вод, водоспоживання та водовідведення, проведено теоретико-експериментальне дослідження технологічних схем промислового водоспоживання, водовідведення та водоочищення. Розроблено та впроваджено на промислових об'єктах нову процедуру та алгоритмічне забезпечення для підтримки проектних рішень при створенні або модернізації технологічних схем промислового водоспоживання, водовідведення та водоочищення, яка може застосовуватися для оптимізації схем водного господарства широкого класу підприємств хімічної та споріднених галузей.

2. Розроблена процедура підтримки проектних рішень використовує принцип структурної оптимізації, базується на сформульованій математичній моделі схем водоспоживання, водовідведення та водоочищення в цілому, та техніко-економічному критерії оптимальності технологічних схем і включає етапи концептуального аналізу для визначення потенційних можливостей водного господарства з точки зору водозбереження, та комбінаторного синтезу для генерації проектних рішень щодо оптимального водопостачання та водовідведення. Ця математична модель сформульована на основі детермінованих моделей споживачів води та процесів локального очищення води.

3. Запропоновано новий метод проведення пінч-аналізу як спеціальної складової частини процедури синтезу схем водоспоживання, водовідведення та водоочищення. Водний пінч-аналіз у пропонованій формі не містить графічного етапу, на відміну від традиційного пінч-аналізу, є повністю аналітичним і базується на вирішенні задачі математичного програмування. Серед переваг запропонованого методу перед традиційним - високий ступінь формалізованості та можливість врахування кількох джерел водопостачання.

4. На основі розроблених моделей та процедури генерації проектних рішень створено алгоритмічне забезпечення для розрахунку схем водоспоживання, водовідведення та водоочищення. Розроблений новий алгоритм може використовуватися самостійно, або виступати складовою частиною вже існуючого пакету прикладних алгоритмів “Екологія”, призначеного для проектування хіміко-технологічних схем та їх елементів.

5. Розроблені математичні моделі та алгоритмічне забезпечення використано для підготовки обґрунтовуючих матеріалів щодо організації водопостачання та водовідведення:

- при створенні схеми водоспоживання, водовідведення та водоочищення ділянки целюлозно-паперового комбінату - планується зменшення водоспоживання та утворення стічних вод із 11 тис. (у випадку прямоточного водопостачання) до 13-15 (у оптимізованій схемі));

- під час реконструкції ділянки виробництва на ВАТ “Фармак” (м. Київ) - очікується зниження споживання свіжої води та утворення стічних вод із 11 тис. до 8,5 тис. ;

- під час реконструкції ділянки виробництва хлібозаводу №3 ВАТ “Житомирхліб” (м. Житомир) - за результатами впровадження оптимізованої схеми водопостачання та водовідведення досягнуто зниження споживання свіжої води, та, відповідно, зниження обсягів утворення стічних вод у середньому на 11%.

Аналіз варіантів схем очищення стоків досліджуваних підприємств показує зменшення очікуваних сумарних річних зведених витрат на очищення стічних вод, що утворюються оптимізованою схемою водоспоживання, у середньому на 15% порівняно з тією ж схемою до оптимізації.

6. Практично важливим результатом роботи є те, що розроблена із використанням системного підходу процедура підтримки прийняття проектних рішень щодо оптимального водоспоживання та водовідведення може застосовуватися для оптимізації схем водного господарства широкого класу підприємств хімічної та споріднених галузей.

7. Розроблені алгоритми знайшли застосування у наукових дослідженнях та у навчальному процесі на кафедрі кібернетики хіміко-технологічних процесів ННТУУ “КПІ” (м. Київ) і на кафедрі хімічної інженерії Жешувського технологічного університету (м. Жешув, Польща).



ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ ВИКЛАДЕНИЙ У ТАКИХ ПУБЛІКАЦІЯХ

1. Статюха Г. О., Квітка О. О., Шахновський А. М. Використання методу водного пінч-аналізу в проектуванні схем промислового водоспоживання. // Наукові вісті НТУУ “КПІ”. - 2003. - №2. - С. 125-131.

2. Статюха Г.О. Квітка О.О., Шахновський А.М. Моделювання схем промислового водоспоживання на основі методу структурних параметрів // Экотехнологии и ресурсосбережение. - 2003. - №5. - С. 57-62.

3. Статюха Г.А., Квитка А.А., Ежовски Я., Шахновский А.М. Повышение эффективности схем промышленного водопотребления (на примере из содовой промышленности). // Інтегровані технології та енергозбереження. - 2003. - №3. - С. 57-65.

4. Джигирей І. М., Квітка О.О., Шахновський А.М. Застосування Пінч-аналізу до моделювання схем очищення стічних вод на прикладі пивоварного виробництва // Вісник Технологічного університету Поділля. Ч.2. Технічні науки. - 2003. - №4. - С. 242-245.

5. Shakhnovskij A., Jezowski J., Kvitka A., Jezowska A., Statiukha G. Optymalizacja sieci wody procesowej przy zastosowaniu programowania matematycznego. // Inzineria chemiczna i procesowa. - 2004. -25. - р. 1607-1612.

6. Шахновский А.М., Статюха Г. А., Квитка А.А. Структурная оптимизация схем промышленного водопотребления // Вісник Черкаського державного технологічного університету. - 2004. - №3. - С. 149-153.

7. Шахновський А. М., Єжовський Я.М., Статюха Г. О., Квітка О. О. Проблема оптимальності в задачах синтезу схем промислового водоспоживання. // Наукові вісті НТУУ “КПІ”. - 2004. - № 6. - С. 35-41.

8. Шахновський А. М. До питання комплексного розрахунку технологічних схем водоспоживання та водоочищення // Вісник Хмельницького національного університету. - Том 1. Технічні науки. - 2005. - № 6. - С. 59-62.

9. Статюха Г. А., Квитка А. А., Шахновский А. М. Проектирование схем рационального водопользования на основе метода “Пинч-анализа”. // Материалы МНТК “Современные проблемы химической технологии неорганических веществ”. - Одесса: “Астропринт”, 2001. - т.2. - С. 212-215.

10. Статюха Г.А., Квитка А.А., Шокодько О.В., Шахновский А.М. Моделирование схем очистки сточных вод предприятий на основе метода “Пинч-анализа”. // Материалы международной конференции “Математические методы в технике и технологиях” - ММТТ-2001. - Смоленск. - 2001.

11. Квитка А. А.,. Шахновский А. М. Повышение эффективности схем промышленного водопользования. // Збірка тез доповідей учасників ІV МНПК “Екологія. Людина. Суспільство”. - К.: НТУУ “КПІ”, 2001. - С. 181-182.

12. Statyukha G., Kvitka A., Jezowski J., Shakhnovsky A. The improving of efficiency of industrial water use networks by example of soda refinery // Summaries of 15 International Congress of Chemical and Process Engineering CHISA-2002, Praha. - 2002. - P 5.74.

13. Квитка А.А., Шахновский А.М. К вопросу синтеза схем рационального водопотребления. // Материалы международной конференции “Математические методы в технике и технологиях” - ММТТ-15. - Тамбов. - 2002. - т.4. - С. 113-115.

14. Квітка О. О., Шахновський А. М., Джигирей І. М. Оптимальний синтез схем водоспоживання. // Збірка тез доповідей учасників V МНПК “Екологія. Людина. Суспільство”. - К.: НТУУ “КПІ”, 2002. - С. 436-437.

15. Квітка О. О., Шахновський А. М. Використання методу пінч-аналізу для розрахунку схем очищення стічних вод. // Збірка тез доповідей учасників V МНПК “Екологія. Людина. Суспільство”. - К.: НТУУ “КПІ”, 2002. - С. 438-440.

16. Краженко Т. А., Шахновский А. М., Квитка. А. А. Схемы промышленного водопотребления с регенерацией потоков // Збірка тез доповідей учасників VІ МНПК “Екологія. Людина. Суспільство”. - К.: НТУУ “КПІ”, 2003. - С. 120-121.

17. Статюха Г.А., Квитка А.А., Шахновский А.М. Применение метода обобщенной схемы к синтезу схем промышленного водопотребления // Материалы международной конференции “Математические методы в технике и технологиях” - ММТТ-16. - Ростов-на-Дону. - 2003. - т.4. - С. 65-67.

18. Шахновский А.М., Ежовски Я., Статюха Г. А., Квитка А.А. К робастности одной процедуры оптимизации схем водопотребления // Материалы международной конференции “Математические методы в технике и технологиях” - ММТТ-17. - Кострома. - 2004. - т.4. - С. 37-38.

19. Квитка А.А., Краженко Т. А., Шахновский А.М. Простой экономический критерий оценки эффективности схем промышленного водопотребления // Материалы международной конференции “Математические методы в технике и технологиях” - ММТТ-17. - Кострома. - 2004. - т.4. - с. 38-39.

20. Shakhnovsky A., Jeїowski J., Statyukha G., Jeїowska A. An approach to water usage network retrofit design. // Materials of International Workshop “Process integration and modelling chromatography processes”. - Rzeszow-Boguchwala. - 2004. - p. 95-104.

21. Статюха Г. А., Квитка А.А., Шахновский А.М., Джигирей И. Н. Проектирование ресурсосберегающих технологических схем водного хозяйства промышленных предприятий. // Тезисы докладов ІІ Международной конференции “Сотрудничество для решения проблемы отходов”. - Харьков. - 2005. - С. 185-187.

22. Янишпольський В. В., Шахновський А. М., Громова А. А. Моделювання схеми водоспоживання ділянки фармацевтичного виробництва. // Збірка тез доповідей учасників VІІІ МНПК “Екологія. Людина. Суспільство”. - К.: НТУУ “КПІ”, 2005. - с. 161.

Размещено на Allbest.ru