Математические методы анализа в процессе оптимизации сушки алюмокремниевого флокулянта-коагулянта

УДК 66.962

М.Г. Гордиенко, Е.Н. Кузин, А. А. Войновский, Э.Н. Надеева МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА В ПРОЦЕССЕ ОПТИМИЗАЦИИ СУШКИ АЛЮМОКРЕМНИЕВОГО ФЛОКУЛЯНТА-КОАГУЛЯНТА

Проведены эксперименты с отвержденными формами алюмокремниевого флокулянта-коагулянта методом распылительной сушки. Конечным продуктом отверждения АКФК является сульфат алюминия и диоксид кремния. Определены оптимальные параметры процесса получения отвержденных форм АКФК. Найдена точка компромисса выход продукта - энергозатраты.

Отвержденная форма алюмокремниевого флокулянта-коагулянта

M.G. Gordienko, E.N. Kuzin, A.A. Voynovskiy, E.N. Nadeeva MATHEMATICAL METHODS OF THE ANALYSIS IN THE COURSE OF OPTIMIZATION OF DRYING ALUMINIUM-SILICATE FLOCCULATE-COAGULANT

Experiments on solids forms of an alyumokremniyevy flokulyanta-coagulant were made by a method of raspylitelny drying. The final product of an drying of AKFK is sulfate of aluminum and silicon dioxide. Optimum parameters of process of receiving the AKFK solids forms were defined. The compromise point a product yield - Loss energy was found.

Solids form aluminium-silicate flocculate-coagulant

Алюмокремниевый флокулянт-коагулянт (далее АКФК) зарекомендовал эффективным реагентом для очистки сточных вод [1]. Однако реакции полимеризации активной кремниевой кислоты, протекающие в растворах АКФК, а также проблема транспортировки больших объемов жидкого реагента не позволяют перейти к повсеместному использованию его в процессах водоочистки. В связи с эти целесообразно получать неслёживающийся, хорошо растворимый в воде, сухой продукт. С целью изучения процесса влагоотдачи в фарфоровые лодочки помещался определенный объем жидкого АКФК и выпаривался при температурах 100, 120, 140, 150, 160 °С. Показатели остаточного влагосодержания снимались каждые 10 секунд.

На рис. 1 представлены кривые сушки водного раствора АКФК, полученные при разных температурах. Предварительные исследования показали, что при достижении массы образца 0,15 г/г материала, кинетические кривые сушки выходят на плато и дальнейшая сушка нецелесообразна (рис. 1).

Одним из способов отверждения растворов является распылительная сушка. Необходимо организовать процесс сушки таким образом, чтобы максимально увеличить выход конечного продукта и минимизировать энергозатраты. Можно предположить, что в таком случае значимыми факторами будут расход и температура сушильного агента, а также скорость подачи раствора коагулянта.

При исследовании процесса сушки АКФК использован композиционный план второго порядка. В качестве ядра плана выбран полный факторный эксперимент 23, включающий указанные выше факторы, варьирующиеся на двух уровнях. Значение звездных точек выбра-

но равным ±1, количество точек в центре плана равнялось трем. Факторы и уровни их варьирования представлены в табл. 1, а матрица планирования эксперимента вместе с полученными результатами представлена в сводной табл. 2.

0,1

0 --------1-------1------1-------1------1-------1------1-------1-------1

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800

Время, с

Рис. 1. Кинетические кривые изменения массы продукта

Таблица 1

Факторы и уровни их варьирования

Фактор Значение Xt ед.измерения

-1 0 +1

Расход сушильного агента ^) 24 31 38 м3/ч

Температура сушильного агента на входе (72) 130 150 170 °С

Расход раствора АКФК (73) 0,09 0,12 0,15 г/с

На энергодисперсионном спектрометре “X-MAX” фирмы “Oxford Instruments” проведен рентгенофлуоресцентный анализ отвержденной формы АКФК с целью определения элементного состава полученного порошка. В ходе анализа в составе исследуемого порошка обнаружены Al и Si, отвечающие за коагуляционные и флокуляционные свойства реагента. Данные об элементном составе, а также микрофотография образца представлены в табл. 3 и на рис. 2.

Для определения процента водорастворимых форм алюминия в составе отвержденной формы АКФК проведен фотокалориметрический анализ растворов АКФК. Данные по количественному содержанию алюминия в растворе приведены в табл. 2.

Высокая мутность водных растворов отвержденных форм АКФК обусловлена входящим в состав сухого продукта не растворимого в воде, мелкодисперсного диоксида кремния. Из полученных данных можно сделать вывод, что около 95 % алюминия, входящего в состав сухого АКФК, находятся предположительно в виде кристаллогидрата сульфата алюминия Al2(SO4)3-nH2O.

Энергозатраты рассчитывались по методикам, описанным в работе как их сумма на работу отдельных элементов установки: калорифера, воздушного насоса, компрессора и перистальтического насоса [1].

Таблица 2

Сводная таблица условий и результатов аналитических исследований продукта

№ Х1 Х2 Х3 Содержание А3+, г/г АКФК Выход сухого АКФК, г Энергозатраты, кДж/100 г р-ра

1 1 1 1 0,065 11,4 1762

2 -1 1 1 0,064 13,2 1223

3 1 -1 1 0,058 13,5 1449

4 -1 -1 1 0,064 4,8 1014

5 1 1 -1 0,064 10,3 26B6

6 -1 1 -1 0,062 9,36 1B14

7 1 -1 -1 0,063 11,9 2175

B -1 -1 -1 0,063 10,4 14B9

9 1 0 0 0,058 13,3 207B

10 -1 0 0 0,062 12,2 1360

11 0 1 0 0,062 12,2 1917

12 0 -1 0 0,06 12,8 1524

13 0 0 1 0,062 12,2 1397

14 0 0 -1 0,067 10,7 20B3

15 0 0 0 0,062 12,2 1707

16 0 0 0 0,062 12,0 1700

17 0 0 0 0,061 12,2 1709

Таблица 3

Элементный состав отвержденной формы АКФК

Элемент Весовой % Атомный %

О 72,09 B4,11

Al 6,B5 3,41

Si 6,96 4,70

S 11,91 7,04

Fe 2,19 0,74

Рис. 2. Образец порошка

Выбранный композиционный план не является ортогональным, поэтому расчет коэффициентов, входящих в регрессионные зависимости, проводился решением системы уравнений в матричном виде:

В =

где В - вектор коэффициентов; У - вектор значений откликов; X - матрица факторов и их взаимодействий.

Получены следующие регрессионные уравнения

- для уравнение для расчета содержания водорастворимого алюминия в сухом АКФК

У = 0.614 + 0.009X2 + 0.011Х1X2 - 0.015X12 + 0.030х2;

- для уравнение для расчета выхода сухого АКФК

у = 12.414 +1.044X1 -1.383X1X2 +1.118X2X3 -1.638X, -1.243X1X2X32.

На рис. 2, 3 представлены поверхности отклика для содержания алюминия и выхода

сухого АКФК, как функции от расхода сушильного агента и скорости подачи раствора.

Рис. 3. Влияние расхода сушильного агента и скорости подачи раствора на содержание активного алюминия в продукте

Рис. 4. Влияние расхода сушильного агента и скорости подачи раствора на выход сухого АКФК

Из полученных уравнений и рис. 3, 4 видно, что факторы оказывают противоположное влияние на отклики. Установлено, что максимальное значение содержания активного алюминия в сухом АКФК получается при следующих параметрах процесса: X1 = - 1 (24 м /ч),

X2 = - 0,07 (149 0С), Х3 = -1 (0,09 г/с). Максимальное значение выхода сухого АКФК (максимум) достигается тогда, когда параметры процесса имеют следующие значения:

30

X1 = -1 (38 м /ч), X2 = -1 (130 С), X3 = 0,04 (0,10 г/с). Координаты локальных оптимумов не совпадают, следовательно, требуется применить свертку многокритериальной задачи.

На рис. 5 приведены энергозатраты на обезвоживание 100 г раствора АКФК распылительной сушкой, а также отображение доли затрат каждого из элементов в суммарных энергозатратах (усредненные значения).

Из данных, представленных на рис. 5, видно, что энергозатраты на сушку 100 г раствора АКФК существенно отличаются (минимальное значение 1014 кДж; максимальное - 2686 кДж). Скорость подачи раствора и температура входящего сушильного агента оказывают наибольшее влияние на суммарные энергозатраты (скорость подачи раствора определяет время работы установки, а температура - затраты на электронагрев, который вносит наибольший вклад в суммарные энергозатраты). Поэтому, данный критерий также должен быть учтен при оптимизации.

Рис. 5. Энергозатраты на обезвоживание 100 г раствора АКФК распылительной сушкой и их усредненное распределение по отдельным элементам установки

Для свертки многокритериальной задачи применен метод утопической точки. В результате получены следующие координаты точки компромисса: Х1 = - 1 (24 м /ч),

X2 = 1 (170 0С), X3 = 1 (0,15 г/с), которые соответствуют второму опыту (содержание Al3+ составило 0,64 г/г АКФК; выход сухого АКФК - 13,2 г; энергозатраты - 1223 кДж/100 г раствора). Данные параметры могут быть рекомендованы для распылительной сушки раствора АКФК в аппарате Mini Spray Dryer, BUCHI.

ЛИТЕРАТУРА

1. Смирнов А.Д., Кручинина Н.Е., Бурбаева И.В., Тимашева Н.А. Алюминийсодержащие коагулянты для очистки поверхностных вод // Экология и промышленность России. 2005. № 8. С.4-7.

2. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Л.: Химия, 1987. 576 с.

Гордиенко Мария Геннадьевна —

кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры «Кибернетика химикотехнологических процессов» Российского химико-технологического университета им. Д.И. Менделеева

Кузин Евгений Николаевич —

аспирант кафедры «Кибернетика химико-технологических процессов» Российского химикотехнологического университета им. Д.И. Менделеева

Войновский Александр Александрович —

аспирант кафедры «Кибернетика химико-технологических процессов» Российский химикотехнологический университет им. Д.И. Менделеева

Надеева Эльвира Наилевна —

студент Российского химико-технологического университета им. Д.И. Менделеева

Статья поступила в редакцию 2.02.12, принята к опубликованию 12.03.12