УДК 628.5:6616:546.16

М.Н.Наурызбекова. Р.А.Исаева. Байбатырова Б.У.

ЮКГУ им. М. Ауезова, г.Шымкент

Исследование и математическое моделирование карбонатной доочистки сточных вод производстве миннеральных удобрений от фтора

Проблема доочистки сточных вод от фтора является актуальной для предприятий, выпускающих, фосфорные удобрения. В процессе производства фосфорсодержащих удобрений и других продуктов на основе фосфорной кислоты создаются условия, при которых часть фтора, как из жидкой фазы, так и из газообразной фазы, переходит в сточные воды. Проблема осложняется тем, что из-за низкой концентрации фтора трудно подобрать достаточно эффективный способ очистки сточных вод.

Одним из перспективных и сравнительно недорогих способов очистки промышленных сточных вод от фтора является карбонатный метод /1-3/, который предполагает введение в сточную воду известкового молока в избытке с последующей обработкой ее углекислым газом. В результате этого образуется углекислый кальций, на кристаллах которого в момент образования адсорбируются ионы фтора. Важным преимуществом карбонатного метода является то, что для его осуществления используются дешевые реагенты: раствор Са(ОН)_: и СО₂. Более того, есть возможность использовать вместо углекислого газа отходящие газы фосфорного производстве.

Лабораторные исследования по данному методу нами уже проводились, где для ускорения осаждения дисперсных частиц твердой фазы, не имеющих непосредственного контакта между собой, были использованы новые акриловые полиэлектролиты. Следующая стадия исследовательских работ предполагает решение задачи управления реальным технологически процессом.

Для регулирования технологических процессов и создания автоматической системы управления ими важно иметь математические модели процесса. Если учесть то, что для управления процессом необходимо установить вид зависимости между внешними воздействиями и управляемыми факторами процесса, с одной стороны, и результатами процесса, с другой, в нашем случае целесообразно использовать стохастические модели процесса, а за основу модели взять систем> уравнений материального баланса.

Таким образом, рассмотрим процесс образования и осаждения кристаллов углекислого кальция, на поверхности которых адсорбируются ионы фтора.

На уровне «черного ящика» располагаем следующими условиями. На входе в аппарат имеем материальных потоков (n=5): очищаемая сточная вода x₁; кислота х₂ известковое молоко, углекислый газ х₃. поверхностно-активное вещество х₄. На выходе из аппарата образуется 3 параметра (m=3): мокрый осадок у₁; очищенная вода у₂; остаточное количество углекидого газа Поскольку остаточная концентрация углекислого газа ничтожно мала, параметром y₃ можем пренебрегать.

Для того, чтобы иметь более подробные количественные и качественные данные об образующемся осадке целесообразно разделить выходной параметр у, на два параметра: у_1.1 -держание фтора в осадке содержание оставшаяся часть осадка.

В таком случае, уравнение материального баланса записывается как

х₁+ х₂ +х₃ +х₄+х₅ = у_1.1+ у_1.2+ у₂ (1)

Выходной параметр у_1.1 в значительной степени зависит от состава поступающих на чистку сточных вод. В связи с этим, возникает необходимость определения следующих параметров: концентрации фтора С_ф и прочих примесей С_n

Наличие такой информации о поступающей на очистку воде позволяет определить следующие важные параметры:

- количество фтора q₁=С_фх₁ ;

- количество прочих примесей q₂=С_nх₁ ;

- количество самой воды q₃ =(1-С_ф -C_n)x₁.

Надо полагать, С_ф и С_n являются нерегулируемыми параметрами. В то же время они lоказывают значительное влияние на технологический процесс. В этой связи возникает необхомость корректировки модели процесса. Ввиду того, что сточные воды производства фосфорных удобрений имеют повышенную кислотность, на стадии грубой очистки они подвергаются нейтрализации известковым молоком, где величина рН доводится до нужного значения.

Для определения количества кислоты, вступающей в реакцию при нейтрализации, допустим, что после нейтрализации часть кислоты все же остается в растворе. В таком случае, основываясь на стехиометрическом соотношении компонентов реакции

H₂SiF₆ + Са(ОН)₂ + СО₂= СаСО₃ + 2HF + SiF₄ + Н₂О (2)

144 + 74 + 44= 100 + 40+104+18 (по массе)

можем определить количество кислоты, вступившей в реакцию, как

Используя аналогичный подход определяем количество получившихся в результате реакции продуктов:

HF-

SiF₄

H₂O -

Непрореагировавшая часть кислоты в количестве q₉ = x₂ –q₄ = x₂-1,22 x₃ будет обусловит скорректированную величину рН раствора, необходимую для максимального извлечения фтора в осадок.

Допустим, что в ходе технологического процесса часть фтора переходит в осадок q₁₀ = Sq₁ а часть остается в растворе q₁₁ = (1 - S)q_l. Величина S определяет степень извлечения фтора из раствора и является функцией, зависящей главным образом от концентрации фтора в исходной воде (С_ф). кислотности раствора (рН) и концентрации ПАВ (С_пав).

Тогда S=f(C_j, рН. С_пав- где C_j, q₁/x,: pH[- lg (q₀/x₁)]\ С_пав=x₅/x₁ )

После окончания процесса очистки стоков можем предположить следующий состав осадка:

количество фтора, перешедшего в осадок q₁₀ = Sq₁;

количество ПАВ. перешедих в осадок q₁₂=a₁x₅;

количество прочих примесей q₁₃=а₂q₂

количество воды в осадке q₁₄ = a₃ q₂

Здесь a_1, a₂а_: и a₃ - коэффициенты, зависящие от конструкции аппаратов и технологических приемов осаждения фтора.

В таком случае, для выходных параметров получим следующие выражения:

y₁=q₁₀ (3)

y₁= q₁₂+ q₁₃+ q₁₄ (4)

Аналогичным образом определяем компоненты отработанного раствора:

- количество воды в отработанном растворе q₁₅= (1+ a₃) q₃+ q₈:

- количество карбоната кальция q₅ = 0,847x₃;

- количество не извлеченного фтора q₁₆= (1 - S) q₁

- количестве кислоты в растворе q₉ =x₂ -l,22x₃;

- остаточное количество ПА.В q₁₇= (1 – a₁)x₅;

- количество прочих примесей q₁₈= (1 - a₂) q₂

Из этих уравнений вытекает

у₂= q₅ +q₁₆ +q₉ +q₁₇ + q₁₈ (5)

Таким образом, модель рассматриваемого процесса описывается системой трех уравнений (3). (4) и (5).

Для того, чтобы уравнения выразить через входные величины можем произвести соответствующие подстановки:

у₁=q₁₀=Sq₁=SC_jx₁;

Полученная система уравнений достаточно подробно отражает экологический процесс. Поскольку в данном случае нас интересует лишь выпадение в осадок фтора, то пользоваться такой громоздкой системой уравнений неудобно, поэте v но ее упростить. Для этого можем два выхода у_1.2 у₂ заменить одним.

Пусть у_1.2 +у₂ = у. В таком случае, после соответствующих преобразований будет содержать всего лишь два уравнения:

y_1.2=SС_jx₁, (6)

y = (1 - SС_ф) x₁ + x₂ + x₁ + x₄ (7)

В этой системе все величины, за исключением С_ф и S. Параметр С_ф - концентрация фтора в исходном растворе - определяется путем замера перед началом процесса. В таком случае, единственной неизвестной величиной остается степень извлечения фтора S. Следует отметить, что h&.S существенное влияние оказывают концентрация фтора в исходном растворе (С_ф), кислотность рH и С_ПАВ, а также вид применяемого ПАВ.

Поскольку в нашем случае не ставится задача подробного изучения кинетики процесса. карбонизацию фторсодержащих стоков производства фосфорных удобрений можем считать на этом завершенным и результат процесса осаждения фтора можно будет описать системой уравнений (6) и (7), которая отражает соблюдение материального баланса во время реакции.

Для управления процессом необходимо найти вид функции: S =f(рН, С_пав ). Для этого можно применить эмпирический подход. Из опыта известно, что зависимость S от рН и С_пав может быть выражена некоторой функцией от двух аргументов и представлена как полином:

S = b₀ + b₁С_ПАВ +b₂рН (8)

Коэффициенты b₀, b₁ и b₂ можно найти методом наименьших квадратов, используя опытные данные (для конкретного вида ПАВ).

Таким образом, в нашем случае управляющими воздействиями на систему являются два параметра: С_пав и рН, а откликом объекта управления является количество выпавшего в осадок фтора, равное

(9)

где , (10)

тогда (11)

Целью управления технологическим процессом является достижение максимапьной степени извлечения фтора, т.е. S_{max .} Поскольку S не может быть больше 1, то можно принять в окончательном виде следующее условие:

(12)

Литература

1. Олейникова Г.Д., Федорова Г.Ф., Корячко Л.М., Финас М.В. Очистка сточных вод фосфорного производства от фтора /Проблемы получения фосфора и соедин. на его основе // Сб. научных трудов
КазНИИГипрофосфор. - М.: НИИТЭХим, 1988. -119-121 с.

2. Булыгина Т.Г. Перспектива и оборудование для очистки промышленных сточных вод. - Минск, 1991-138 с.

3. А.С.СССР №518466 //Ламп В.Н., АрхиповаЛ.Н., Борохова ИМ. Опубл. 1976.