Содержание к диссертации
Введение
1. Общая характеристика и особенности управления озонированной очисткой загрязненных потоков 11
1.1. Физико-химические и технологические особенности процесса озонированной обработки воды и отходящих газов 11
1.2. Особенности структурных схем установок очистки сточных вод и отходящих газов с помощью озона 15
1.3. Развитие средств и систем управления оборудованием и технологическими процессами озонирования 24
1.4. Эффективность, режимы и структура систем управления процессами озонированной очистки выбросов 28
1.5. Выводы по главе 1 37
2. Разработка математических моделей кинетики процессов озонированной водо- и газоочистки 42
2.1. Научное обоснование выбора типа кинетической модели исследуемого класса технологических процессов 42
2.2. Модель К-1. Скоробь реакции несопоставимо велика по сравнению со скоростью массообмена ... 49
2.3. Модель К-2. Скорость реакции заметно больше скорости массообмена 51
2.4. Модель К-3. Скорость реакции мала по сравнению с массопередачей, но сравнима с нею 52
2.5. Модель К-4. Скорость реакции лимитирует суммарную
скорость процесса 54
2.6. Выводы по главе 2 56
3. Построение математических моделей процессов озонированной очистки сточных вод и отходя щих газов 59
3.1. Построение математической модели процесса озонированной сероочистки сточных вод 59
3.2. Построение математической модели процесса озонированной сероочистки отходящих газов 65
3.3. Построение прощенной идеализированной модели для целей оперативной автоматической оптимизации 74
3.4. Выводы по главе 3 78
4. Математическое моделирование и статическая оптимизация процессов озонирования 82
4.1. Идентификация параметров и установление адекватности математических моделей процессов озонирования 82
4.2. Уточнение структуры математических моделей с учетом времени пребывания потоков в объектах озонирования 86
4.3. Исследование статических характеристик и построение
области допустимых значении управляющих воздействий 97
4.4. Формулирование и решение задачи статической оптимизации процессов озонирования 103
4.5. Выводы по главе 4 108
5. Разработка систем управления процессами и определение оптимального уровня их автоматизации 112
5.1. Выбор и обоснование структурной схемы автоматического управления процессами озонированной очистки выбросов 112
5.2. Автоматизация управления процессами при двухступенчатом озонировании обрабатываемых потоков 117
5.3. Определение заданий управляющим устройствам системы автоматической стабилизации технологических параметров 121
5.4. Определение рационального уровня автоматизации технологических систем озонированной очистки 124
5.5. Рекомендации к рабочему проектированию комбинированных систем автоматического управления 129
5.6. Выводы по главе 5 135
Заключение 136
Литература 138
- Развитие средств и систем управления оборудованием и технологическими процессами озонирования
- Модель К-1. Скоробь реакции несопоставимо велика по сравнению со скоростью массообмена
- Построение прощенной идеализированной модели для целей оперативной автоматической оптимизации
- Определение заданий управляющим устройствам системы автоматической стабилизации технологических параметров
Развитие средств и систем управления оборудованием и технологическими процессами озонирования
В обрабатываемые потоки озон вводят различными способами: барботи-рованием воздуха, содержащего озон, через слой воды (распределение воздуха происходит через фильтросные пластины или пористые трубки); смешением воды или орошающего раствора с озоновоздушнои смесью в эжекторах или специальных роторных механических смесителях, в абсорберах различных конструкций. Коэффициент поглощения озона определяют по формуле: Г=1-(1-0ЛН)Р (1.2) р = - (0,113 - 0,0017t) Hf / [0,25 - (QB/Fk)] (і.З) где Ні - высота слоя в колонне, м; t - температура воды, С; f - отношение поверхности пузырька к его объему, мм"1; QB - расход воды, м3/с; Fk - площадь сечения колонны, м .
Из приведенных формул (1.2) и (1.3) следует, что величина коэффициента г\ увеличивается: с увеличением рабочей высоты контактного аппарата; с уменьшением размеров пузырьков; с увеличением скорости противотока воды (т.е. с увеличением значения отношения QB/Fk); с понижением температуры обрабатываемого потока загрязнителей. Все это свидетельствует о том, что озонированная очистка сточных вод и отходящих газов относятся к классу технологических процессов многокомпонентной абсорбции газов, сопровождаемых химическими реакциями в жидкой фазе и, соответственно, расход озона, необходимого для окисления загрязнителей, может быть определен по известному уравнению массообмена [17]: G03 = P KFAC K, (1.4) где G03 - расход озона, переходящего из газовой фазы в жидкую, кг/с; (Зж - коэф фициент массоотдачи в жидкой фазе при протекании в ней химической реакции, м/с; F - поверхность контакта фаз, м2; АСЖ - движущая сила процесса, кг/мЗ.
Поскольку затраты электроэнергии на производство озона составляют более 70% общих затрат, минимизация величины G03, видимо, и должна служить основной целью автоматического управления при выполнении наложенных ограничений на качество очистки и условий физической реализуемости оптимальных режимов независимо от типа структур технологических схем озонированной очистки выбросов.
Современные установки озонированной очистки сточных вод и отходящих газов состоят из большого числа разнотипных аппаратов, связанных между собой технологической схемой. При этом, отсутствие идентичных по составу обрабатываемых загрязненных потоков в различных регионах страны и отраслях промышленности обусловило и отсутствие однотипных структур технологических схем озонированной водо- и газоочистки. Поэтому характер аппаратурно-технологических связей может быть весьма различным: исходные и промежуточные потоки веществ, обрабатываемых в одних аппаратах, поступают в следующие по ходу процесса аппараты; тепло, выделяемое на одном участке технологической схемы, утилизируется на другом; очищаемые потоки, реагенты и энергия распределяются между различными аппаратами-потребителями. В связи с этим задача оптимального управления рассматриваемым классом инженерно-экологических систем должна состоять не только в том, чтобы поддерживать наиболее эффективный режим в каждом аппарате в отдельности, но и в том, чтобы установить между элементами технологической схемы связи, обеспечивающие оптимальную работу установок в целом.
Рассмотрим подробнее особенности наиболее распространенных структурных схем. Простейшая структура с прямыми связями между машинами и аппаратами технологической схемы (рис. 1Л) предназначена для реализации процессов очистки природных вод и состоит их двух основных узлов: получения озона и очистки загрязненных потоков. Узел получения озона включает четыре блока: забора и охлаждения воздуха; осушки воздуха; фильтрования воздуха; генерации озона. Атмосферный воздух через воздухозаборную шахту подается на фильтр, где очищается от пыли, после чего воздуходувками подается на водоотделитель капельной влаги, а затем на установки для сушки воздуха, загруженные активным глиноземом. Осушенный воздух поступает в блоки фильтров, в которых осуществляется тонкая очистка воздуха от пыли. Из фильтров осушенный и очищенный воздух подается в блоки озонаторов, где под действием электрического разряда генерируется озон, который вместе с воздухом в виде озоновоздушной смеси направляется в контактный аппарат и смешивается с обрабатываемым потоком воды.
Структура технологической схемы одноступенчатого озонирования сточных вод (рис. 1.2) отличается от предыдущей лишь наличием дополнительной емкости, где происходит предварительное смешивание сточных с используемыми при очистке реагентами. Однако обе рассмотренные схемы очистки не позволяют достичь высоких значений коэффициента поглощения г\ и поэтому начинают вытесняться структурами, позволяющими проводить двухступенчатую очистку. По одной из таких структур (рис. 1.3) в первом аппарате проводится предварительное озонирование отработанной озоновоздушной смесью, содержащей 2 мг/л озона, а во втором - окончательное окисление примесей.
Модель К-1. Скоробь реакции несопоставимо велика по сравнению со скоростью массообмена
Уравнение (2.5) является кинетическим уравнением для наиболее общего случая. Оно связывает скорость реакции компонента и факторы диффузионного и конвективного массообмена в процессах озонированной очистки выбросов. Применительно к частным конкретным случаям очистки сточных вод и отходящих газов на его основе нами построены четыре математических модели кине тики реальных процессов озонирования. При построении исходили из того, что общее выражение скорости любого процесса озонированной очистки выбросов должно содержать два этапа взаимодействия веществ: обмен массой между жидкой и газообразной фазами и собственно химическую реакцию окисления. Относительные скорости этих двух стадий могут изменяться в широком диапазоне. В одном предельном случае происходит настолько быстрая реакция, что скорость диффузии веществ целиком лимитирует общую скорость процесса. В другом случае реакция протекает настолько медленно, что вещества в течение всего процесса равномерно распределены в обеих фазах и его общая скорость определяется скоростью химической реакции.
Реальные процессы озонированной водо- и газоочистки, осуществляемые в гетерогенных системах «газ-жидкость», занимают практически промежуточное положение между рассмотренными выше предельными случаями и общая скорость этих конкретных процессов зависит как от скорости переноса массы между фазами, так и от скорости химического взаимодействия озона с загрязняющими веществами.
Рассмотрим подробнее различные возможные формы кинетических уравнений общей скорости взаимодействия веществ Аі и Аг при озонированной очистке выбросов начиная с процессов, которые характеризуются очень быстрыми химическими реакциями по сравнению с процессами массообмена, и кончая процессами с очень медленными химическими реакциями. В дальнейшем будем называть эти уравнения математическими моделями кинетики.
Химическая реакция происходит мгновенно на границе раздела фаз и глубина проникновения вещества Ai в пограничный слой X = 0. Если А2 нераство римо в А], то величина Сдг становится большей по сравнению с С"А1. Вследствие протекания реакции значение САі также мало, а С Аі — 0, поэтому РГАІ CAI РЖА2 Сд2 / а2 (2.14) Поскольку любое возрастание А2 не изменяет хода реакции, основное сопротивление сосредоточено в газовом слое и кинетическое уравнение (2.5) принимает вид: WAi = WA2 / а2 = - (dnA1/ dc) / S = prA, CAi (2.15) Полученное выражение (2.15) и будет являться расчетным при бесконечно большой скорости химической реакции.
Соотношение (2.14) может служить критерием для выбора расчетной зависимости и в случае сопоставимых по величине скоростей массообмена и химической реакции. Левая часть этого соотношения по смыслу своей размерности (кмоль.м"2л.]) выражает поток вещества из ядра газового потока к границе раздела фаз; правая же часть по той же причине дает поток вещества от границы раздела фаз к ядру жидкости. Поэтому неравенство (2.14) характеризует недостаточный приток вещества из газа сравнительно с возможным потоком в жидкости, т.е. основное сопротивление сосредоточено в газовом слое.
В этом случае при построении математической модели процесса озонированной очистки следует пользоваться уравнением (2.15). При (3ГА1СА1 РЖА2СА2 /а2 (2.16) основное сопротивление будет сосредоточено в жидком слое и при математическом моделировании применимо уравнение (2.8). В случае же, когда скорости химической реакции и массообмена сопоставимы, возможны два варианта математического описания кинетики озонирования. 2.3. Модель К-2. Скорость реакции заметно больше скорости массообмена.
Допустим, что вещество-загрязнитель А2 нерастворимо в газе и концентрация Сд2 достаточно велика. Это означает, что по мере уменьшения скорости реакции поверхность контакта фаз углубляется в сторону жидкой фазы, диффузионный слой расширяется и основная часть реакции будет протекать внутри него (зона реакции). Оба реагента диффундируют в этот слой, но ни один из них не проходит через него полностью и поэтому не может не вступить в реакцию.
Концентрация озона (компонента Ai) значительно уменьшается в реакционной зоне, затем сравнительно медленно снижается в остальной части жидкого пограничного слоя, где реакция практически заканчивается.
При построении кинетической модели для этого случая примем следующие допущения: загрязнитель (реагент Аг), находящийся в жидкости, нерастворим в озоновоздушном потоке (газе), поэтому реакция может протекать только в жидком пограничном слое; реакция (Aj + А2) протекает только по линейному закону. Это возможно, если Сю. CAi настолько, что концентрация вещества А2, даже с учетом расходования этого компонента на реакцию, остается почти одной и той же. Тогда кинетическое уравнение необратимой реакции n-го порядка WA1 = К . С"м . С "- дг (2.17) может быть сведено к уравнению псевдопервого порядка WA, = K.C"A1 (2.18) где К = К . С пАА2 (2.19) Реакция, характеризуемая уравнением (2.18), идет по линейному закону. Поэтому с учетом принятых допущений кинетическое уравнение (2.18) примет следующий вид:
Построение прощенной идеализированной модели для целей оперативной автоматической оптимизации
Экспериментально-аналитическая математическая модель, приведенная на рис. 3.3, может использоваться при исследовании свойств процесса, разработке его аппаратурного оформления и технологической схемы установок озонированной очистки, т.е. для самых различных целей проектной и оперативной оптимизации. В то же время для автоматического и автоматизированного управления может оказаться достаточным применение более грубой, упрощенной модели, в которой химизм процесса описывается одним условным стехиометриче-ским уравнением: 2S02 + 02 Ш,0з 2H2S04 (3.38) Причем большой избыток кислорода, искусственно создаваемый в производственных условиях, позволяет ввести еще одно дополнительное упрощение за счет пренебрежения скоростью его поступления в жидкую фазу. При построении такой идеализированной модели в качестве исходных данных нами были режимы, которые использовались при исследовании процесса в аппарате идеального перемешивания [80], когда подача и отвод газа производились непрерывно при периодическом вводе и выводе поглотительного раствора. Окисление изучалось при температуре 50С при различных скоростях газа, а кинетика фиксировалась по количеству диоксида серы, поглощенного раствором серной кислоты. Режимные параметры принимались следующими.
Расход газа, л/мин 0,4 Концентрация Ог, % об 21 Линейная скорость, м/с 0,05 Концентрация Мл, % вес 0,03 Температура, С 50 Высота слоя жидкости, мм 180 Концентрация SO2, % об 0,2 Время контакта фаз, сек 4 Концентрация Оз, % об 0,005 Степень очистки, % 93 С учетом приведенных режимных параметров при построении математической модели по суммарной реакции (3.38) примем следующие допущения: в связи с большим избытком кислорода необходимым для окисления диок сида серы его диффузия не является лимитирующей стадией процесса; диффузия диоксида серы рассматривается как молекулярная диффузия через неподвижную пленку; процесс очистки протекает при постоянной температуре (в опытах температура автоматически стабилизировалась с большой точностью); гидродинамические условия не изменяются с течением процесса (при прове дении исследований расход газа поддерживался достаточно точно); » переходным процессом по концентрации диоксида серы в газовой фазе можно пренебречь, поскольку соотношение расхода газа и объема аппарата таково, что инерционность по газовой фазе не превышает нескольких секунд, т.е. в десятки раз меньше собственной инерционности реакции.
Суммарная скорость процесса в этом случае будет определяться скоростью диффузии диоксида серы в растворе и скоростью реакции (3.38), уравнение которой можно записать в виде аналогичном уравнению (2.35) кинетической модели К-4: Wc = К с СА СВ (3.39) где Сд, СВ -концентрации кислорода и диоксида серы в жидкой фазе; К с - константа скорости суммарной реакции. Обычно в природоохранных технологических процессах константа скорости гомогенных каталитических реакций пропорциональна концентрации катализатора, но поскольку в исследуемом нами процессе реакция может быть вполне определенной и при отсутствии озона, считаем целесообразным для «локальной области» протекания процесса представить константу пропорциональной концентрации озона в следующем виде: K c = e + dCE (3.40) Концентрацию кислорода в жидкой фазе, в соответствии с принятым допущением, можно считать практически неизменной (Св = Const), что позволяет константу скорости реакции (3.38) выразить через константу скорости реакции 1-го порядка: КС = К сСА (3.41) Произведя подстановку уравнений (3.40) и (3.41) в (3.39) и используя дополнительные обозначения - е Св = К о.с; d Св = К"о.с, получим уравнение скорости суммарной реакции: Wc = (К о.с + К"0.с СЕ) СА (3.42) Материальные потоки в упрощенной математической модели. Основываясь на предпосылках и уравнении скорости (3.42), математическую модель процесса в аппарате полунепрерывного действия можно представить системой уравнений, отражающей следующие стадии. 1. Материальный баланс по диоксиду серы в газовой фазе, с учетом при нятых предпосылок, представляем как разность между потоком, поступающим в аппарат, диффузионным потоком и потоком выносимым с очищенным газом: VC0AGr/dr. - psn(CrA/m - СА) - VcciCrA = 0 (3.43) 2. Скорость изменения концентрации диоксида серы в жидкой фазе пред ставляем разностью диффузионного потока и потока израсходованного по ре акции (3.38): V CAMT = psn(CrA/m - СА) - V WC (3.44) З. Скорость изменения концентрации побочного продукта очистки (серной кислоты) будет зависеть только от скорости реакции (3.38), т.к. в полунепрерывном режиме вывод и поступление в аппарат раствора отсутствуют: dCR/dx = WC (3.45) Существующее тормозящее действие концентрации кислоты на суммарную скорость процесса является основной причиной, препятствующей получению побочного продукта очистки высокого качества. Противоречивые взгляды исследователей-технологов на это явление не позволяют использовать результаты их работ при разработке математической модели, поэтому на основе кинетических моделей, подробно рассмотренных в предыдущей главе, нами ги-потезировались два варианта учета торможения.
Определение заданий управляющим устройствам системы автоматической стабилизации технологических параметров
Анализ статических характеристик процесса не лает ответа на вопрос, следует ли ориентироваться на экономический критерий оптимальности или можно ограничиться достижением экстремума одним из технологических показателей, таким, например, как расход электроэнергии на единицу очищаемого газа. Поскольку достижение условий оптимальной статики, сформулированных в предыдущем разделе диссертации, возможно варьированием нескольких управляющих параметров необходим дополнительный расчет ТЭП процесса. Анализ этого расчета показал, что при удовлетворительной степени очистки потери катализатора невелики и ими можно пренебречь, а энергетические затраты на производство озона значительны, т.е. следует стремиться к минимизации затрат электроэнергии - основной переменной в себестоимости очистки. В основном эти затраты зависят от содержания озона в очищаемом газе и, соответственно, от производительности генераторов озона. Стоимость озонаторной установки составляет почти 70 % от общих капитальных затрат (при 8 = 95 % и CR = 50 %). Снижение степени очистки до 80 % позволяет снизить затраты на озона-торную установку до 35 %, т.е. возникает задача выбора оптимальных значений приведенных затрат. Но это задача проектной, а не оперативной оптимизации и, как показано в работе [56], при озонированной очистке природных вод, она сводится к минимизации переменной составляющей приведенных затрат и решается варьированием не режимных, а конструктивных параметров (числа контактных резервуаров, их объемов, высоты слоя и др.).
В то же время, наши расчеты показали, что минимум эксплуатационных затрат достигается при минимуме расхода озона, который является регулируемой переменной и должен рассматриваться как одно из основных управляющих воздействий с точки зрения его назначения при оперативной оптимизации процесса. Анализ состава очищаемого газа свидетельствует о том, что содержание загрязнителя (диоксида серы) может изменяться в значительных пределах и является нерегулируемой переменной (возмущающим воздействием), хотя возможность ее контроля в условиях высокой загрязненности газа не исключается.
Учитывая сказанное, а также преобладающее влияние энергетических затрат в себестоимости очистки, можно минимизацию общих эксплуатационных затрат 30б заменить минимизацией отношения энергетических затрат к количеству получаемого побочного продукта очистки (кислоты): J = (Зэ / GR) - min (4.13)
Если считать, что энергетические затраты пропорциональны количеству израсходованного озона, равного произведению его начальной концентрации на расход озонированного воздуха: Зэ = ц СЕ QOB, (4.14) а увеличение GR эквивалентно повышению количества уловленного диоксида серы, представляющего произведение разности его концентраций на входе и выходе установки на расход газа: GR = Gr (СА - СА), (4.15) то, произведя подстановку (4.14) и (4.15) в (4.13), задачу оперативной оптимизации исследуемого процесса можно свести к поиску минимума составного технологического критерия J , показывающего отношение количества поглощенного диоксида серы к количеству озона, израсходованного на это поглощение: J = [СЕ QOB / Gr АСд] -» min (4.16)
Рост содержания озона увеличивает суммарную скорость очистки, вследствие чего при заданном потоке газа и фиксированном объеме аппарата увеличивается величина GR И, соответственно, уменьшается значение J , т.е. снижаются затраты на единицу очищаемого газа. Однако, для повышения концентрации озона в очищаемом газе на входе в систему очистки необходимо увеличить расход озонированного воздуха, что повышает величину Зэ и препятствует улучшению общей эффективности процесса. Воздействием на производительность генератора озона система управления должна обеспечить оптимальный закон изменения содержания озона, доставляющий минимум величине J , при наличии неконтролируемых возмущений и выполнении наложенных ограничений (4.11), (4.12). Обработка опубликованных экспериментальных данных отечественных и зарубежных ученых [75-78] показала, что при изменении степени очистки в диапазоне 80-95 % теоретически возможно достижение J = 5.10.
Целесообразность использования сформулированного критерия оптимальности подтверждается также результатами наших расчетов, характеризующих зависимость основных ТЭП (общих эксплуатационных расходов, себестоимости очистки, срока окупаемости установки) от величины J [91]. Результаты этих расчетов и исследования свойств статических характеристик позволили задачу оптимизации режимов процесса сформулировать следующим образом: найти управляющие воздействия СЕ И СЬС, обеспечивающие минимум критерия (4.16) J - f [Gr ,СА ,СЕ ,0Ж ,5 ,CR] - min (4.17) при соблюдении ограничений, наложенных на качество очистки (4.11) и качество побочного продукта (4.12), т.е. при заданных расходе газа и содержании в нем диоксида серы следует определить содержание озона и количество отбираемого побочного продукта (или добавляемой в систему воды), при которых степень очистки и концентрация кислоты соответствуют заданным значениям 5 = 63; CR = CR3.
Для решения подобных задач известные способы нелинейного программирования требуют значительных затрат времени, вычислительных ресурсов и, как правили, мало приемлемы для инженерной практики. Предварительное же исследование статики процесса, описанное выше в п.4.3, позволяет существенно упростить решение. Поскольку поиск минимума J осуществляется в плоскости двух переменных СЕ - СЬк , оказалось возможным графическое решение, результаты которого приведены на рис.4.14, где показана ОДР и линии уровня, вдоль которых критерий оптимальности J сохраняет постоянное значение при изменении входящих в него величин.
Совместное рассмотрение проекции ОДР на плоскости управляющих воздействий и линий постоянного уровня показало, что минимум критерия оптимальности находится в точке D - точке пересечения границ 5 = з и CR = CR3. Выявленные ранее свойства стационарных режимов позволяют внести существенные упрощения в определение координат этой точки и свести к минимуму затраты машинного времени. Ордината этой точки СЬк определяется из материального баланса при 8 = 5з и CR = CR3, а абсцисса СЕ из выражения (4.11). Эти особенности расположения оптимальной точки позволяют сразу же найти ее координаты, причем, при конфигурации ОДР, показанной на рис.4.14, затраты машинного времени по сравнению с поиском формальными методами сокращаются в десятки раз. Реализация алгоритма требует минимального объема памяти ЭВМ и может быть осуществлена на компьютере любой мощности.
Похожие диссертации на Автоматизация управления системами озонированной очистки сточных вод и отходящих газов
