Введение к работе
Актуальность темы. Гальванические покрытия широко применяются во многих отраслях промышленности для придания изделиям защитно-декоративных и специальных свойств. На крупных предприятиях получили распространение гальванические линии нанесения одного покрытия. Оборудованные ими цеха и участки занимают большие площади, требуют многочисленного персонала, с них сбрасываются большие объемы сточных вод, для очистки которых необходимы сложные и дорогостоящие очистные сооружения. Такие решения неприемлемы для предприятий среднего и малого бизнеса, часто заинтересованных в применении гальванических покрытий для отделки изделий, повышения их потребительской привлекательности и конкурентоспособности. Здесь целесообразнее применение многопроцессных гальванических линий, отличающихся компактностью и экономичностью. Эти линии должны быть спроектированы таким образом, чтобы обеспечить малооотходное функционирование. Для таких линий необходима минимизация количества ванн подготовительных и заключительных операций, а также ванн промывки. В многопроцессных линиях возникают сложные траектории массопотоков, сточные воды имеют сложный состав и требуют подбора оптимальной технологии очистки от токсичных тяжелых металлов (ТТМ), обеспечивающей возможность использования оборотной воды.
В связи с этим целью настоящей работы является оптимизация материального баланса многопроцессной гальванической линии путем компьютерного моделирования массопотоков, что позволит обеспечить ее компактность, экономичность, удобство эксплуатации и малоотходность.
Для достижения этой цели необходимо было решить следующие задачи:
разработать принципы компоновки многопроцессной гальванической линии, обеспечивающие оптимальный набор подготовительных и заключительных операций и минимальное водопотребление;
разработать математическую модель материального баланса всех ванн многопроцессной линии;
разработать алгоритмы и компьютерные программы, позволяющие проводить расчеты накопления ТТМ в промывных ваннах для оптимизации водопотреб-ления;
разработать методику расчета объема и состава сточных вод для оптимизации материального баланса системы гальванический участок - установка очистки сточных вод;
выявить и изучить причины нарушения материального баланса системы.
Работа выполнялась в рамках проблемы «Исследования физико-химических и биологических процессов, происходящих в аппаратах при комплексном обезвреживании и очистке стоков и выбросов в атмосферу», включенной в тематический план государственного бюджетного финансирования фундаментальных научных исследований ВятГУ, а также при поддержке Комитета по грантам при Президенте РФ, грант № МК-7081.2006.3 «Компьютерное моделирование гальванических процессов».
Научная новизна. Впервые применен принцип балансовых расчетов для оценки и оптимизации материальных потоков многопроцессной гальванической линии.
Разработан математический аппарат, алгоритмы и программное обеспечение, позволяющие рассчитать потребность в ТТМ и их соединениях на любой период эксплуатации линии, потребность в чистой воде, объем и состав сточных вод, отводимых с линии.
Разработанная компьютерная программа позволяет при многократном использовании промывной воды рассчитать время накопления в технологических ваннах и ваннах промывки уровня концентрации примесей, выше которого возникает брак покрытий, и определить частоту смены растворов, а также количество и расположение в линии мест подачи свежей воды.
Изучен материальный баланс системы гальванический участок - установка очистки сточных вод с вакуумным выпариванием и показано, что причиной загрязнения конденсата, подаваемого на промывку, является пенообразование, обусловленное накоплением некоторых ПАОВ.
Установлены технологически допустимые концентрации компонентов одних технологических ванн в других, а также в ваннах промывки перед нанесением покрытий. Показано, что в некоторых случаях они существенно превышают рекомендуемые в ГОСТ 9.314-90 значения.
Разработана методика тестирования предлагаемых на рынке композиций и добавок на способность вызывать повышенное пенообразование в условиях вакуумного выпаривания.
Практическая ценность. Разработан математический аппарат и программное обеспечение балансовых расчетов для многопроцессной гальванической линии, на которой осуществляется нанесение восьми покрытий. Создана ба-
за для хранения, систематизации и автоматического ввода данных в компьютерные программы.
Показана возможность минимизации водопотребления за счет многократного использования промывной воды и предложена методика расчета концентрации всех компонентов, поступающих из технологических ванн, за любой период эксплуатации, что позволяет установить частоту смен воды и автоматизировать этот процесс. Новизна этого подхода подтверждена патентом РФ на полезную модель №44677 от 11.11.2004 г. Результаты балансовых расчетов применены при конструировании, наладке и эксплуатации многопроцессной линии, внедренной на ОАО Электроприбор, г. Чебоксары.
Экспериментально уточнены технологически допустимые концентрации ряда примесей в ваннах покрытий и предшествующей промывки, выше которых возможно появление брака. Предложена методика тестирования композиций и добавок, позволяющая прогнозировать их влияние на чистоту конденсата установки вакуумного выпаривания сточных вод.
Апробация работы. Основные результаты доложены и обсуждены на Международной научно-технической конференции «Ресурсо- и энергосберегающие технологии и оборудование, экологически безопасные технологии», -Минск, 2005; на XIII Всероссийском совещании «Совершенствование технологии гальванических покрытий», - Киров, 2006; III Международной конференции «Покрытия и обработка поверхности», - Москва, 2006; ежегодных Всероссийских научно-технических конференциях «Наука-производство-технология-экология». - Киров, 2006,2007; III Міжнародна науково-технічна конференція студентів, аспірантів та молодих вчених «Хімія і сучасні технології», -Дніпропетровськ, Україна, 2007.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 11 работ.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, описания методики экспериментов, принципов компоновки многопроцессной гальванической линии, алгоритмов балансовых расчетов, результатов экспериментальных исследований и их анализа, выводов, библиографического списка. Работа изложена на 159 страницах машинописного текста, содержит 22 таблицы, 30 рисунков. Список литературы содержит 170 наименований.
На защиту выносятся:
принцип компоновки многопроцессной гальванической линии;
математический аппарат балансового расчета движения ТТМ в многопроцессной гальванической линии;
компьютерные программы и база данных для расчетов материальных потоков;
результаты исследования физико-химических свойств растворов добавок и композиций, применяемых в гальваническом производстве, методика их тестирования;
экспериментально установленные технологически допустимые концентрации некоторых компонентов в ваннах покрытий и предшествующей промывки.
