Система управления процессом мембранной очистки оборотных промышленных вод металлургических предприятий: на примере ЗАО "Метахим" тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.06, кандидат технических наук Павлов, Роман Дмитриевич

• Павлов, Роман Дмитриевич
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Павлов, Роман Дмитриевич

Условные обозначения.

Введение.

Глава 1. Методы очистки ПВ.

1.1 Состав ПВ металлургических предприятий, характеристика основных загрязнений и методы очистки.

1.2 Механические методы очистки.

1.2.1 Тонкослойное отстаивание.

1.2.2 Фильтрация в зернистом,фильтре.

1.2.3 Фильтрация в фильтре тонкой очистки.

1.3 Химические методы очистки.

1.3.1 Нейтрализация.

1.3.2 Реагентное осаждение.

1.4 Физико-химические методы очистки.

1.4.1 Флокуляция.

1.4.2 Ионный обмен.

1.4.3 Мембранная очистка.

1.5 Обработка осадка.

1.5.1 Уплотнение осадка.

1.5.2 Обезвоживание осадка.

1.6 Схемы водоснабжения и водоотведения промышленных предприятий.

1.7 Выводы по главе.

Глава 2. Экспериментальные исследования по очистке оборотных

ПВ металлургических предприятий с повышенным содержанием фосфатов.

2.1 Обследование ЗАО «Метахим».

2.1.1 Анализ состава ПВ и ПДС.

2.1.2 Расчет необходимой производительности ОС.

2.2 Экспериментальные исследования по очистке оборотных ПВ ЗАО

Метахим».

2.2.1 Предварительная очистка.

2.2.2 Глубокая очистка.

2.3 Многоступенчатая технология очистки ПВ.

2.4 Выводы по главе.

Глава 3. Разработка модели ОУ.

3.1 Общие принципы построения моделей.

3.2 Среда моделирования МаЙаЬ.

3.3 Разработка ММ комплекса технологических процессов.

3.3.1 Взаимодействие исходной ПВ с Са(ОН)г.

3.3.2 Взаимодействие ПВ с ИаОН.

3.3.3 Взаимодействие ПВ с флокулянтом.

3.3.4 Отстаивание обработанной ПВ.

3.3.5 Фильтрация ПВ в зернистом фильтре.

3.3.6 Фильтрации ПВ в ионообменном фильтре.

3.3.7 Результаты моделирования узла предварительной очистки.

3.3.8 Смешение ПВ с фильтратом 2-й ступени ОО.

3.3.9 Нейтрализация ПВ добавлением Н2804.

3.3.10 Фильтрация ПВ в фильтре тонкой очистки.

3.3.11 Фильтрация ПВ в 1-й и 2-й ступенях ОО.

3.3.12 Результаты моделирования узла глубокой очистки.

3.4 Анализ и исследование разработанной ММ.

3.5 Выводы по главе.

Глава 4. Разработка системы управления.

4.1 Постановка задач управления.

4.2 Структура системы управления.

4.2.1 Общая структура управления ОС.

4.2.2 Структура системы управления мембранной установкой.

4.3 Синтез системы управления многоступенчатой мембранной установкой.

4.3.1 Принцип работы регулятора с прогнозирующей моделью.

4.3.2 Прогнозирующая модель.

4.3.3 Оценка состояния.

4.3.4 Задача оптимизации.

4.3.5 Квадратичное программирование.

4.3.6 Решение алгоритма управления по прогнозирующей модели.

4.4 Построение системы управления в MATLAB.

4.5 Выводы по главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Система управления процессом мембранной очистки оборотных промышленных вод металлургических предприятий: на примере ЗАО "Метахим"»

Диссертационная работа выполнена:

• При сотрудничестве с ЗАО «Метахим» (бывший завод «Волховский алюминий», г. Волхов) - одним из крупнейших предприятий химической промышленности в России, производителем триполифосфата натрия, цемента, серной кислоты, сульфата алюминия и др., которое функционирует совместно с Волховским алюминиевым заводом (ВАЗ) были проанализированы источники промышленных вод (ПВ), усредненный состав ПВ, возможные технологические решения, разработаны требования по очищенной воде (приложение 1), требования к воде для цементного производства (приложение 2) и техническое задание на очистку ПВ ЗАО «Метахим» (приложение 3). Также принята к внедрению при реконструкции предложенная комбинированная многоступенчатая технология по очистке ПВ ЗАО «Метахим» (приложение

4).

• При сотрудничестве с ЗАО «БМТ» (Баромембранные технологии, г. Владимир) - одной из крупнейших и ведущих в России компаний по разработке, проектированию, изготовлению и внедрению оборудования водопод-готовки и очистки сточных вод с использованием мембранных нанотехноло-гий по следующим направлениям: очистка сточных вод предприятий металлургической, машиностроительной, легкой, пищевой, химической промышленности и др. На базе аттестованной аналитической лаборатории при сотрудничестве с высококвалифицированными специалистами компании ЗАО «БМТ» были проведены экспериментальные исследования по очистке ПВ ЗАО «Метахим», разработана комбинированная многоступенчатая технология очистки этой воды, рассчитана стоимость очистки 1 м3 ПВ для установки л общей производительностью 100 м /ч (приложение 5) и составлено технико-коммерческое предложение на очистные сооружения (ОС) «под ключ» (приложение 6). По разработанной технологии была подана заявка на патент (приложение 7);

• При сотрудничестве с ЗАО «Телрос» (департаментом «Системы управления», г. Санкт-Петербург) - одним из лидеров российского рынка производства и разработки телекоммуникационного оборудования, систем управления и программного обеспечения. На базе технических и программных средств автоматизации фирмы Siemens, предоставленных ЗАО «Телрос», и при сотрудничестве с высококвалифицированными специалистами сектора автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУТП), была проведена разработка и отладка программного обеспечения (приложение 7) в рамках диссертационной работы для разработанной комбинированной многоступенчатой технологии очистки ПВ ЗАО «Метахим». По разработанному программному обеспечению была подана заявка на патент.

Актуальность работы

Одной из важных проблем гидрометаллургических технологий является уменьшение потребления воды и выбросов в окружающую среду, что может быть решено применением замкнутого водооборота. При этом наиболее трудоемкой задачей является очистка общесплавных промышленных вод, характеризующихся сложным набором загрязняющих веществ.

На большинстве предприятий системы очистки позволяют извлекать лишь взвешенные вещества методом отстаивания и часть растворенных компонентов методом реагентного осаждения, в некоторых системах очистки дополнительно используются сорбционные и ионообменные методы, позволяющие селективно извлекать определенные компоненты из раствора. Однако весь спектр растворенных веществ можно выделить только с использованием выпарки или мембранных методов. При этом выпарка является очень дорогостоящей операцией и применяется довольно редко. Большей универсальностью в отношении растворенных примесей обладают мембранные методы, эффективность работы которых значительным образом обеспечивается выбранной системой предварительной водоочистки и системой управления.

Огромный вклад в развитие и совершенствование мембранных технологий очистки внесли такие крупные специалисты как В. П. Дубяга, Ю. И.

Дытнерский, С. Ф. Тимашев, Т. Брок и др. Хорошо известны работы С. И. Лазарева, Л. Л. Муравьева в области математического моделирования и алгоритмов управления процессами мембранного разделения.

Однако традиционные системы управления мембранными установками не учитывают ряд важных особенностей мембранного разделения: концентрационную поляризацию, изменение концентраций компонентов в промышленной воде и значительное время запаздывания. В большинстве случаев эти факторы не получают должной оценки, поэтому система управления нуждается в дальнейшем развитии.

Цель диссертационной работы

Разработка технологических решений и синтез системы автоматического управления многоступенчатой мембранной установкой при многостадийной очистке промышленных вод сложного ионного состава.

Задачи исследования

• Научно-технический анализ известных способов и технологий очистки промышленных вод сложного ионного состава металлургических предприятий;

• Исследование показателей промышленных вод ЗАО «Метахим» и выбор методов управления по рабочим характеристикам очистных сооружений;

• Проведение экспериментальных исследований по разработке многостадийной очистки с использованием мембранных методов;

• Разработка математической модели процессов многостадийной очистки промышленных вод, ее идентификация и проверка на адекватность;

• Синтез системы автоматического управления мембранной установкой с использованием алгоритма управления по прогнозирующей модели.

Научная новизна работы

1. Показано, что учет распределения полей концентраций реального многокомпонентного раствора в межмембранном пространстве, конвективного и диффузионного движения компонентов раствора и эффекта концентрационной поляризации в математической модели многоступенчатой мембранной установки позволяет дать адекватное описание рабочих показателей процесса очистки в зависимости от режимных параметров.

2. Установлено, что отклонение параметров мембранной очистки, вызванных эффектом концентрационной поляризации, изменением концентраций компонентов в растворе и большим временем запаздывания может быть компенсировано в соответствии с алгоритмом управления по прогнозирующей модели.

Основные положения, выносимые на защиту

1. При построении системы автоматического управления многоступенчатой мембранной установкой рекомендуется использовать усовершенствованную математическую модель, позволяющую прогнозировать параметры мембранного разделения. При этом модель должна описывать распределение полей концентраций реального многокомпонентного раствора в межмембранном пространстве с учетом конвективного и диффузионного движения компонентов раствора и эффекта концентрационной поляризации.

2. Для реализации оптимальных режимов проведения процессов многоступенчатого мембранного разделения целесообразно использовать систему автоматического управления, основанную на алгоритме, который включает блок прогнозирования, рассчитывающий по линеаризованной модели объекта выходные параметры, и блок оптимизации, выбирающий наилучшие управляющие воздействия в соответствии с критерием оптимальности в области планирования, что позволяет улучшить качество управления по сравнению с классическим ПИД регулированием.

Практическое значение работы

1. Предложен способ многостадийной очистки оборотных промышленных вод сложного ионного состава, включающий стадию мембранного разделения, что позволяет использовать данное решение для очистки промышленных растворов металлургических предприятий (подана заявка на патент РФ №2009147974).

2. Технологическая схема многостадийной очистки с использованием многоступенчатой мембранной установки включена в план реконструкции очистных сооружений ЗАО «Метахим».

3. Разработанная программа управления многоступенчатой мембранной установкой, обеспечивает высокие эксплуатационные характеристики системы очистки и возможность ее реализации на профильных металлургических предприятиях.

Методика исследований

Работа выполнена с использованием комплекса методов, включающих системный анализ задачи; патентно-информационный анализ; теоретические, натурные и компьютерные методы изучения процессов очистки оборотных промышленных вод и управления этими процессами с применением стандартного и специального программного обеспечения.

В работе также использованы методы математического моделирования и статистического анализа.

Достоверность научных результатов обосновывается значительным объемом экспериментальных данных и их соответствием теории и практики очистки растворов химико-металлургических предприятий, применением современных методов физико-химического анализа технологических продуктов, использованием адекватных математических моделей и статистических методов обработки данных с применением компьютерных технологий, а также проверкой полученных результатов на укрупненной пилотной установке.

Апробация работы

Содержание и основные положения диссертации докладывались и обсуждались на 3-х международных научных специализированных конференциях: в СПГГИ (ТУ) им. Г. В. Плеханова в 2008-2009 г.г. и в Германии в г. Фрайберг в 2009 г.; на 4-х научных конференциях студентов и молодых ученых в СПГГИ (УТ) им. Г. В. Плеханова в 2007-2010 г.г.; научных семинарах кафедры АТПП СПГГИ (ТУ) им. Г. В. Плеханова 2007-2010 г.г.; на научнотехнических советах по работе с аспирантами СПГГИ (ТУ) им. Г. В. Плеханова 2007-2010 г.г.

По теме диссертации опубликованы 4 научные работы, из них 3 в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.

Личный вклад автора

Автор самостоятельно выполнил:

• Постановку задач и разработку общей методики исследований;

• Анализ современных методов очистки промышленных вод и существующих систем управления очистными сооружениями;

• Лабораторные экспериментальные исследования по очистке промышленных вод ЗАО «Метахим»;

• Математическое моделирование многостадийной очистки промышленных вод ЗАО «Метахим»;

• Синтез системы автоматического управления многоступенчатой мембранной установкой.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка и приложений. Содержит 176 страниц машинописного текста, 49 рисунков, 16 таблиц, список литературы из 124 наименований и приложения на 15 страницах.

Заключение диссертации по теме «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)», Павлов, Роман Дмитриевич

Основные результаты выполненных исследований:

1. Показано, что учет распределения полей концентраций реального многокомпонентного раствора в межмембранном пространстве, конвективного и диффузионного движения компонентов раствора и эффекта концентрационной поляризации в математической модели многоступенчатой мембранной установки позволяет дать адекватное описание рабочих показателей процесса очистки в зависимости от режимных параметров.

2. Установлено, что отклонение параметров мембранной очистки, вызванных эффектом концентрационной поляризации, изменением концентраций компонентов в растворе и большим временем запаздывания может быть компенсировано в соответствии с алгоритмом управления по прогнозирующей модели.

3. Предложен способ многостадийной очистки оборотных промышленных вод сложного ионного состава, включающий стадию мембранного разделения, что позволяет использовать данное решение для очистки промышленных растворов металлургических предприятий (подана заявка на патент РФ №2009147974).

4. Технологическая схема многостадийной очистки с использованием многоступенчатой мембранной установки включена в план реконструкции очистных сооружений ЗАО «Метахим».

5. Разработанная программа управления многоступенчатой мембранной установкой, обеспечивает высокие эксплуатационные характеристики системы очистки и возможность ее реализации на профильных металлургических предприятиях.

Заключение

Диссертационная работа представляет собой законченную научно-квалификационную работу, в которой содержится новое решение актуальной для металлургической промышленности задачи - управление многоступенчатой мембранной установкой, входящей в состав ОС металлургических предприятий.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Павлов, Роман Дмитриевич, 2010 год

1. Аксенов В. И., Ладыгичев М. Г., Ничкова И. И., Никулин В. А., Клайн С. Э., Аксенов Е. В., Водное хозяйство промышленных предприятий, справочное издание, книга 1: М.: Теплотехник, 2005 — 640 с.

2. Платэ Н.А., Мембранные технологии авангардное направление, информационно-аналитический журнал Мембраны, выпуск №1, 1999 - с. 410.

3. Иванов В. Г., Водоснабжение промышленных предприятий: СПб.: Наука, 2003 - 537 с.

4. Совет экономической взаимопомощи, ВНИИ ВОДГЕО Госстроя СССР, Укрупненные нормы водопотребления и водоотведения для различных отраслей промышленности: М.: Стройиздат, 1978 — 590 с.

5. Алексеев JI. С., Контроль качества воды, учебник, 3-е изд., перераб. и доп.: М.: ИНФРА-М, 2004 - 154 с.

6. Яковлев С. В., Карелин Я. А., Жуков А. И., Колобанов С. К., Канализация, учебник для вузов, 5-е изд., перераб. и доп.: М.: Стройиздат, 1975 -632 с.

7. Хохрякова Е. А., Резник Я. Е., под ред. Беликова С. Е., Водоподготовка, справочник: М.: Аква-Терм, 2007 - 240 с.

8. Фрог Б. Н., Левченко А. П., Водоподготовка, учебное пособие для вузов: М.: МГУ, 1996 680 с.

9. Воронов Ю. В., Яковлев С. В., Водоотведение и очистка сточных вод, учебник для вузов: М.: Издательство Ассоциация строительных вузов, 2006 - 704 с.

10. Кульский Л. А., Булава М. Н., Гороновский И. Т., Смирнов П. И., Проектирование и расчет очистных сооружений водопроводов, 2-е изд., перераб. и доп.: Киев: Будивельник, 1972 - 424 с.

11. Карюхина Т. А., Чурбанова И. Н., Химия воды и микробиология, учебник для техникумов, 3-е изд., перераб. и доп.: М.: Стройиздат, 1995 -208 с.

12. Абрамов Н. Н., Водоснабжение, учебник для вузов: М.: Стройиздат, 1974-480 с.

13. Обыденкова С. В., Современные технологии очистки сточных вод, журнал Аква-терм, выпуск №5 (15), сентябрь 2003 — с. 37 39.

14. Малыгин Е. Н., Попов Н. С., Немтинов В. А., Егоров С. Я., Однолько В. Г., Информационный анализ и автоматизированное проектирование станций биохимической очистки, учебное пособие: Тамбов: ТГТУ, 2004-120 с.

15. Дытнерский Ю. И., Процессы и аппараты химической технологии, учебник для вузов, 2-е изд., часть 1: М.: Химия, 1995 - 400 с.

16. Гудков А. Г., Механическая очистка сточных вод, учебное пособие: -Вологда: ВоГТУ, 2003 152 с.

17. Пааль Л. Л., Кару X. А., Мельдер X. А., Справочник по очистке природных и сточных вод: М.: Высшая школа, 1994 - 336 с.

18. Когановский А. М., Клименко Н. А., Левченко Т. М., Марутовский Р. М., Рода И. Г., Очистка и использование сточных вод в промышленном водоснабжении: М.: Химия, 1983 - 288 с.

19. Малиновская Т. А., Корбинский И. А., Кирсанов О. С., Рейнфарт В. В., Разделение суспензий в химической промышленности: М.: Химия, 1983 - 264 с.

20. Солодянников В. В., Расчет и математическое моделирование процессов водоподготовки,: М.: Энергоатомиздат, 2003 - 311 с.

21. Громогласов А. А., Копылов А. С., Пильщиков А. П., Водоподготовка. Процессы и аппараты: М.: Энергоатомиздат, 1990 — 272 с.

22. Журба М. Г., Соколов Л. И., Говорова Ж. М., Водоснабжение. Проектирование систем и сооружений, учебное пособие, 2-е изд., перераб. и доп., том 3: М.: АСВ, 2004-256 с.

23. ГОСТ 9179-77, Известь строительная. Технические условия, с изменениями от 30 марта 1989 г., дата введения в действие 01.01.1979.24,25