Термодинамический подход к проектированию энергоресурсосберегающих химико-технологических систем водопотребления

А. В. Невский, В. С. Ватагин, В. А. Шарнин,

О. А. Усанова, М. В. Бушуев

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ ПОДХОД К ПРОЕКТИРОВАНИЮ ЭНЕРГОРЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИХ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ

ВОДОПОТРЕБЛЕНИЯ

Ключевые слова: энерго-ресурсосбережение, химико-технологические системы водопо-требления, термодинамический эксергетический метод, термодинамический пинч-метод, охрана окружающей среды. energy-resource-saving, water-use chemical processes, thermodynamic exergy-method, thermodynamic pinch-method, environment protection

Предложена методология проектирования энергоресурсосберегающих водопотребляющих химико-технологических систем промышленных предприятий. В основе ее лежат термодинамические методы: эксергетический и водный пинч-метод. Предложенная методология апробирована при проектировании ВХТС крупных химических, машиностроительных, текстильных, стекольных, пищевых, автотранспортных и др. предприятий Центрального, Приволжского и Южного Федеральных округов России. Результаты апробации работы показали возможность существенного сокращения объемов потребляемых сырьевых и энергетических ресурсов, значительного уменьшения массы выброса загрязняющих веществ в окружающую среду.

The methodology of energy-resource-saving water-use chemical processes designing of industrial plants have been proposed. The basis of it is the application of thermodynamic exergy-method and thermodynamic pinch-method. The proposed methodology was approved by water-use chemical processes designing of chemical, machine-building, textile, glass, food, motor transportation, etc. enterprises of Central, Volga and South Federal Regions of Russia. The results of this approbation shown that it is obviously possible to essentially reduce the volume of consumed raw material and energy resources, to reduce a great deal of pollutants emission to environment

Анализ и синтез ресурсосберегающих химико-технологической систем (ХТС) водного хозяйства промышленных предприятий предусматривают решение одного из наиболее важных вопросов - формирование сети (структуры) водных технологических потоков данного производства. Теоретическое обоснование практического решения данной задачи свидетельствует о необходимости учета: законов химической термодинамики; основных экологических принципов (системности, комплексности, цикличности, рациональной организации, экологической безопасности); реальных технических, экономических и организационных возможностей промышленных предприятий в конкретный период.

В настоящее время традиционным подходом к организации систем водного хозяйства промышленных предприятий является прямоточное (не повторно-последовательное) техническое водоснабжение и объединение отработанной технологической воды (сточных вод) отдельных подразделений (цехов). Далее этот объединенный поток, в лучшем случае, подвергается обработке на локальных очистных сооружениях (ЛОС) предприятия, но ча-

ще, сбрасывается в систему водоотведения населенного пункта для последующей очистки на биологических сооружениях. Такой подход не отвечает требованиям теоретических основ химической термодинамики и практики проектирования энергоресурсосберегающих

В этой связи целью данной работы явилось применение термодинамического подхода к разработке методологии проектирования энергоресурсосберегающих водопотребляющих химико-технологических систем промышленных предприятий.

Ранее нами было показано, что смешение водных технологических потоков различного происхождения приводит к увеличению суммарной энтропии системы в результате разбавления (рассеивания) ингредиентов [2, 3]. Это, в свою очередь, увеличивает энергетические и, следовательно, экономические затраты на последующую обработку воды. При рассмотрении качественной, организационной стороны вопроса, желательно, насколько это возможно, избегать смешивания потоков отработанной воды различных технологических линий данного предприятия.

Для количественной характеристики происходящих процессов необходим метод, позволяющий оценить степень рассеивания компонентов жидкофазной системы за счет разбавления водных потоков (сточных вод) при их нецелесообразном смешивании. Удобной для использования характеристикой в этом случае может быть величина потери эксергии:

где Н, в и Т0 - соответственно энтальпия, энтропия и абсолютная температура системы (индекс «0» означает состояние системы в условиях окружающей среды).

Абсолютная величина потери эксергии, А Ех, равна:

где Ехвх и Ехвых - эксергия жидкофазной системы соответственно на входе в систему (до

смешивания потоков) и на выходе из системы (после объединения потоков).

В свою очередь, величина потери эксергии, АЕх , при изменении состава системы, в частности, при смешивании водных технологических потоков может быть рассчитана как:

где: ПI - молярный расход вещества, содержащегося в водном потоке, (моль/час); X, -мольная доля вещества, содержащегося в водном потоке; т - массовый расход вещества, содержащегося в водном потоке (кг/час); М - молекулярная масса вещества, содержащегося в водном потоке (кг); индекс I относится к данному виду компонента (вещества), а индекс ] - к набору всех компонентов, содержащихся в водных потоках.

Значения расходов вещества, содержащегося в водном потоке, определяются технологическими параметрами. Если виды компонентов - загрязняющих веществ (ЗВ) точно известны, тогда их мольные доли могут быть легко рассчитаны. Однако, в силу разных причин точная молекулярная масса для каждого ЗВ может быть неизвестна, например, если расчет ведут по брутто-показателям состава водной фазы (например, таким как «взвешенные вещества» или «химическое потребление кислорода»). В первом приближении предположим,

водных ХТС (ВХТС) [1].

Ех = Н - Т0 Б ,

П

или

что все ингредиенты имеют одинаковую молекулярную массу. Эта аппроксимация вполне возможна, так как для выбора последовательности процессов обработки водных потоков интерес представляет не истинное значение потери эксергии, а ее относительные изменения для рассматриваемых вариантов. Тогда уравнение (4) можно записать в виде:

I т,

т. 1п-—-

где М' = Му = М.

Следовательно, вместо расчета абсолютной величины потери эксергии, А Ех, можно оценить значение относительного изменения потери эксергии при смешивании водных потоков, % А Ех

А Ех

%А Ех = ^±Ех * 100% .

Ехвх

Таким образом, понятие эксергии, как меры технической работоспособности, максимальной способности системы к совершению работы с учетом взаимодействия с окружающей средой, может быть использовано для определения снижения потенциала жидкофазной системы в процессе смешивания ее компонентов и может служить мерой деградации (разбавления) водных технологических потоков.

При проектировании схем повторно-последовательного водоснабжения энергоресурсосберегающих ВХТС весьма эффективно применение термодинамического водного пинч-метода [4, 5]. Суть его заключается в графо-аналитической интерпретации данных зависимости изменения концентрации загрязняющего воду вещества от расхода этого вещества в процессе массообмена между обрабатываемым материалом и технологической водой. Метод может быть успешно применен практически для любого варианта извлечения (экстракции, механического смыва) загрязняющего вещества из обрабатываемого материала (загрязненной поверхности) как водой так и неводным или смешанным компонентом (растворителем).

Техническим инструментом реализации предложенного термодинамического подхода является информационная система сбора, хранения и обработки данных о функционировании ВХТС [6]. В целях обеспечения необходимых мер техногенной безопасности проектируемых ВХТС разработана автоматизированная система управления техногенной безопасностью промышленного предприятия [7].

Предложенная методология апробирована при проектировании ВХТС крупных химических, машиностроительных, текстильных, стекольных, пищевых, автотранспортных и др. предприятий Центрального, Приволжского и Южного Федеральных округов России. Результаты апробации работы показали возможность существенного сокращения объемов потребляемых сырьевых и энергетических ресурсов, значительного уменьшения массы выброса загрязняющих веществ в окружающую среду.

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ (проект № 01.03.005) и Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 04-05-78035).

Литература

1. Невский, А.В. Анализ и синтез водных ресурсосберегающих химико-технологических систем / А.В. Невский, В.П. Мешалкин, В.А. Шарнин. - М.: Наука, 2004. - 212 с.

2. Кутепов, А.М. Термодинамический подход к проектированию систем водопотребления и водоотведения промышленного предприятия / А.М. Кутепов [и др.] // Экология и промышленность России. - 2002. - № 4. - С. 12-15.

3. Кутепов, А.М. Экологические технологии: эксергетический анализ при проектировании водных ресурсосберегающих технологических систем / А.М. Кутепов [и др.] // Инженерная экология. -2002. - № 1. - С. 50-57.

4. Кутепов, А.М. Модифицированный водный пинч-метод для проектирования ресурсосберегающих химико-технологических систем / А.М. Кутепов, В.П. Мешалкин, А.В. Невский // Доклады Академии Наук. - 2002. - Т. 383. - № 6. - С. 786-790.

5. Кутепов, А.М. Проектирование ресурсосберегающей химико-технологической системы водо-потребления отбельного цеха красильно-отделочного производства с использованием водного пинч-метода / А.М. Кутепов, В.П. Мешалкин, А.В. Невский // Химическая технология. - 2002. -№ 2. - С. 29-34.

6. Бушуев, М.В. Разработка информационной системы эксергетического анализа при проектировании ресурсосберегающих технологических процессов / М.В. Бушуев, О.В. Кашина, А.В. Невский, В.А. Шарнин // Современные наукоемкие технологии. - 2005. - № 3. - С.69-76.

7. Ватагин, В. С. Автоматизированная система управления техногенной безопасностью химического предприятия / В.С. Ватагин, А.В. Невский // Изв. вузов. Химия и хим. технология. - 2008. -Т. 51.- № 3.- С. 119-121.

© А. В. Невский - д-р техн. наук, проф. каф. общей химической технологии Ивановского госуд. хими-ко-технол. ун-та; В. С. Ватагин - - канд. хим. наук докторант той же кафедры; В. А. Шарнин - д-р хим. наук, проф., первый проректор-проректор по научной работе, зав. каф. общей химической технологии Ивановского госуд. химико-технол. ун-та; О. А. Усанова — асп. той же кафедры; М. В. Бушуев - асп. той же кафедры. E-mail: nevsky@isuct.ru.