Разработка установки для рекуперации растворителя из шлама дистилляционных установок машин химической чистки одежды

Актуальность проблемы. В последнее время, в связи со значительным удорожанием хлорорганических растворителей, применяемых при химической чистке текстильных изделий, а также из-за введения жестких экологических требований и платного принципа размещения отходов, вопрос утилизации шламов дистилляционных установок машин химической чистки приобрел особую актуальность.

Практически весь парк машин химической чистки отечественного и импортного производства, за исключением ряда зарубежных моделей последнего поколения, оснащен морально устаревшей системой дополнительной отгонки растворителя (как правило, перхлорэтилена) из шлама с использованием острого пара. Многолетней практикой эксплуатации таких систем установлено, что их применение приводит к преждевременному коррозионному износу оборудования и снижению качества чистки из-за дестабилизации растворителя и образования агрессивных продуктов распада.

Существующие термические методы обезвреживания шлама (например, сжигание в печах, практикуемое ГТТ «Промотходы») позволяют практически полностью решить проблему шлама как твердого (полужидкого) вида отходов, но приводят к достаточно сильному вторичному загрязнению окружающей среды продуктами сгорания и термического разложения хлорорганических соединений. Согласно тарифной сетке ГП «Промотходы», стоимость транспортировки и термического обезвреживания шлама для предприятий химической чистки одежды достигает 20 руб за 1 кг активного хлора, присутствующего в шламе, причем тарифы постоянно пересматриваются в сторону увеличения.

Одна из самых весомых составляющих себестоимости услуги ГП «Промотходы» — транспортные расходы, связанные со значительным расстоянием до участка обезвреживания (г Орехово-Зуево) Горение шлама не является автотермическим процессом, т е требуются дополнительные затраты на топливо Необходимость в очистных сооружениях для предотвращения вторичного загрязнения окружающей среды на термической установке также приводит к удорожанию услуги.

Необходимо также иметь в виду то обстоятельство, что в исходном шламе, поступающем с предприятий химической чистки одежды, содержится до.

40% растворителя, который разрушается, т е безвозвратно теряется, при термическом воздействии на шлам. В то же время, растворитель, особенно импортный, весьма дорог — до 12 — 15 рублей за килограмм.

Концентрация мощностей по обезвреживанию шлама в одной точке (населенном пункте) применительно к целому региону (г Москва и Московская область) влечет за собой значительные интегральные транспортные расходы.

Импортные установки данного типа (например, фирмы Воуе-Раз8а1, Германия) весьма дороги и могут быть доступны только мощным объединениям химической чистки одежды, которые в настоящее время отсутствуют.

Поэтому изучение возможностей увеличения степени рекуперации растворителя из шлама непосредственно в штатных дистилляционных установках машин химической чистки без дорогостоящих изменений в их конструкции, разработка оптимальной технологической схемы и конструкции усовершенствованной дистилляционной установки и рекомендаций по ее эксплуатации являются актуальными задачами современной сферы услуг.

Целью исследования является разработка установки для рекуперации растворителя (перхлорэтилена) из шламов непосредственно в испарителе дистилляционных установок машин химической чистки одежды, которое включает: разработку моделей процессов вакуумной сушкиустановление влияния различных факторов (в первую очередь вакуума) на степень рекуперации и определение их оптимальных значений, разработку функциональной схемы дистилляционной установки со встроенной системой рекуперации растворителя из шламаопределение конструктивных параметров оборудования для реализации процесса. При этом обосновывается техническая возможность и экономическая целесообразность модернизации действующих дистилляционных установок машин химической чистки с целью оснащения их дополнительным оборудованием для рекуперации растворителя из шлама.

В соответствии со сформулированной целью решались следующие задачи:

1. Анализ существующих процессов, методов и установок для рекуперации хлорсодержащих растворителей из шламов машин химической чистки одежды.

2. Теоретическое обоснование необходимости и возможности применения вакуумной рекуперации растворителя из шлама непосредственно в испарителях дистилляционных установок машин химической чистки.

3.Разработка математической модели пароэжекторного устройства, учитывающей взаимосвязь коэффициента инжекции и термодинамических параметров рабочего пара, инжектируемых паров растворителя и давления в камере смешения. Разработка алгоритмов расчета и получение параметров термодинамического состояния растворителя водяного пара и их смесирасчет коэффициента инжекции и температуры смеси на выходе из эжектора.

4.Разработка диффузионной модели вакуумной сушки шлама.

5.Экспериментальная проверка адекватности математической модели вакуумной сушки шлама с использованием лабораторного стенда.

6. Определение критерия оптимальности установки. Формирование и разработка алгоритма исследования целевой функции с целью определения оптимального значения давления вакуумирования.

Объект исследования: дистилляционная установка машины химической чистки с устройством для вакуумной сушки шлама.

Методы исследования.

При исследовании и разработке установки для вакуумной рекуперации растворителя из шлама использовались теоретические и экспериментальные методы исследования.

Для исследования рабочих характеристик системы «испарительэжектор» применялось численное моделирование процесса на ЭВМ в среде МаШСАБ.

Для расчета параметров термодинамического состояния смеси паров «растворитель — вода» и ее компонентов, использовались кубическая сплайнинтерполяция и итерационный метод Левенберга-Маркардта, реализованный на ЭВМ.

При экспериментальной проверке адекватности модели вакуумной сушки применялись лабораторные методы изучения кинетики сушки с последующим статистическим анализом результатов.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

— теоретически обоснована возможность замены непосредственного введения пара вакуумированием рабочего пространства испарителя дистилляционной установки, т. е. замены процесса отгонки растворителя «острым» паром на вакуумную сушку;

— установлены качественные и количественные взаимосвязи основных термодинамических и технологических показателей системы «испарительэжекционная установка» с использованием математической модели эжектора;

— в разработке адекватной модели двухпериодной сушки шлама под вакуумом;

— в разработке методики определения термодинамических функций смеси паров растворителя (перхлорэтилена) и воды.

Практическая ценность работы.

Разработана принципиальная технологическая схема дистилляционной установки машины химической чистки с вакуумной сушкой шлама.

Получены значения оптимальной глубины вакуумирования рабочего пространства испарителей дистилляционных установок применительно к конкретным экономическим условиям, что позволило определить исходные требования к пароэжекторным устройствам.

Разработана методика расчета интегральных расходных и стоимостных показателей дистилляционных установок, оснащенных оборудованием для пароструйного вакуумирования.

С использованием полученных в работе соотношений разработаны и апробированы конструкции вакуум-эжекционного устройства для интенсификации процесса сушки шлама и конденсатора с повышенной удельной тепловой нагрузкой для испарителей объемом до 120 л.

Структура работы определялась целями и задачами исследования, а также располагаемыми ресурсами и методами анализа. В первой главе изучались сложившиеся традиции в части решения проблемы со шламом как непосредственно в штатном оборудовании машин химической чистки одежды, так и в специальных установках. Особое внимание уделялось вопросам теории и практики отгонки растворителя из нелетучих остатков с использованием острого пара, так как этот процесс, являясь наиболее распространенным в настоящее время, не достаточно изучен применительно к условиям эксплуатации оборудования для химической чистки одежды. Вторая глава основана на применении теоретических методов исследования процессов и оборудования для отгонки растворителя из остаточного шлама с использованием пароэжекторного вакуумирования рабочего пространства испарителя. На основании имеющихся данных по теплофизическим параметрам растворителя, а также с использованием разработанных другими исследователями методов аппроксимации свойств применительно к данному типу веществ, были получены необходимые зависимости для расчета теплофизических параметров растворителя и его смеси с водяным паром. Получены соотношения для определения конструктивно-технологических и расходных показателей установки через коэффициент инжекции, а также базовые соотношения для расчета кинетических показателей процесса вакуумной сушки шлама. Таким образом, в данной главе сформированы необходимые предпосылки для проведения технико-экономической оптимизации установки, а также получены некоторые расчетные соотношения для проектирования тепломассобменного оборудования машин химической чистки, отсутствующие в изученной нами литературе. В третьей главе представлена методика и результаты экспериментальной проверки адекватности кинетической модели сушки шлама. Представлены принципиальная технологическая схема макетного образца установки для промышленной проверки правильности проектных решений, результаты проектирования пароструйного вакуум-эжекционного насоса и конденсатора. Четвертая глава содержит постановку задачи оптимизации, описание алгоритма формирования и расчета целевой функции, а также интерпретацию результата.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.

1. На основании результатов математического моделирования процесса вакуумной сушки разработана установка для рекуперации растворителя из шлама дистилляционных установок машины химической чистки одежды.

2. В интервале температур 100−150 град. С и давлений 0,01−0,1 МПа определены параметры термодинамического состояния паров перхлорэтилена и смеси паров перхлорэтилена и воды: энтальпия, энтропия, теплота парообразования.

3.. Разработан и реализован в программной среде МаШСАО алгоритм определения интегральных показателей (расход воды, инжектирующего пара, температуры и энтальпии смеси «пары перхлорэтилена — пары воды») как функции глубины вакуума в испарителе дистилляционной установки.

4. В изотермическом режиме в интервале давлений 0,7 — 0,9 ат изучена кинетика сушки шлама дистилляционных установок машины химической чистки. Выведено уравнение зависимости скорости испарения перхлорэтилена от давления в объёме испарителя.

5. По результатам математического моделирования разработаны конструкция эжектора для вакуумирования рабочего пространства испарителя дистилляционной установки и функциональная схема устройства для реализации вакуумной сушки шлама.

6. По результатам теоретического и экспериментального исследования разработана модель диффузионной сушки шлама дистилляционной установки машины химической чистки одежды. Адекватность модели подтверждена методами статистического анализа.

7.. Получены зависимости для определения времени диффузионной сушки при фиксированной остаточной концентрации растворителя в шламе и остаточной концентрации растворителя при фиксированном времени сушки.

8. Сформулирован критерий эффективности процесса вакуумной сушки шлама и устройства для его реализации.

9. Разработан алгоритм расчета целевой функции дистилляционной установки с вакуумной сушкой шлама в программной среде МаШСАО.

10. С использованием целевой функции дистилляционной установки с вакуумной сушкой шлама определен диапазон оптимальных значений вакуума (0,01−0,02 МПа) в испарителе для текущих экономических условий.