Планирование эксперимента при оптимизации процессов химической техн

Отработанный электролит (анолит), содержащий 260—270 г/л NaCl, вытекает из электролизера; газооб­ разный хлор также удаляется в сборные коллекторы че­ рез специальные прорези. Ртуть по мере протекания по наклонному дну электролизера в результате электролиза хлорида натрия превращается в амальгаму натрия и че­ рез ртутный затвор поступает в разлагатель амальгамы, куда также подается вода и где происходит вторая ста­ дия процесса

Образовавшийся концентрированный растворедкого натра является товарным продуктом, который направля­ ется в специальные сборники; обедненная амальгама (практически чистая ртуть) перекачивается насосом в электролизер.

Следует отметить, что в производстве хлора и каусти­ ка ртутным электролизом, ртуть практически полностью регенерируется при разложении амальгамы и ее потери, главным образом, обусловлены уносом с технологически­ ми потоками и механическими потерями. Составить ба­ ланс потерь ртути обычно не удается, поскольку часть по­ терь может быть оценена лишь приближенно. Анализ так называемого условного баланса потерь ртути в производ­ стве щелочи и хлора ртутным электролизом показывает, что наибольшее количество (более одной трети) ртути теряется со шламами, пятая часть уносится с анолитом, около двух процентов — со сточными водами и столько же с газами; унос ртути с раствором едкого натра наи­ меньший — около 0,5%..

Очистка всех ртутьсодержащих потоков производства щелочи и хлора (независимо от ее содержания в пото­ ке) — важнейшая технологическая и народнохозяйствен­ ная задача, решение которой позволит сохранить дефи­ цитную и дорогостоящую ртуть, использовать отходы производства для получения удобрений и других веществ, повысить качество основных продуктов (особенно щело­ чи, потребляемой в производстве искусственного волок­ на), создать требуемые санитарными нормами условия труда и внести существенный вклад в дело охраны окру­ жающей среды от загрязнений ртутью.

Перечень основных ртутьсодержащих промышленных растворов и отходов рассматриваемого производства и

экономически выгодных методов очистки технологичес­ ких потоков от ртути в промышленных условиях и, разу­ меется, не дают возможности найти универсальный спо­ соб очистки, пригодный для всех ртутьсодержащих пото­ ков данного производства. На рис. 5.1 указаны процессы очистки потоков от ртути, которые по мнению технологов являются наиболее эффективными на современном этапе.

Учитывая малую изученность процессов извлечения ртути из растворов и отходов производства щелочи и хло­ ра, наличие большого количества определенных факто­ ров и высокую токсичность ртути, для решения задачи исследования и оптимизации выбранного объекта целесо­ образно применять методы математического планирова­ ния эксперимента, обладающие, как правило, определен­ ными преимуществами. При этом требуется минимальное количество экспериментов, и как следствие, наименьший контакт экспериментатора со ртутью, а также имеются реальные условия снизить стоимость эксперимента и по­ лучить интересующую информацию о процессах для уста­ новления оптимальных режимов их протекания.

5. 1. 1. Постановка задачи оптимизации комплекса по­ токов ртутьсодержащих сред. Проблема выделения рту­ ти из промышленных растворов и отходов производства хлора вначале решалась технологами эмпирически, непо­ средственно на производстве вследствие его особеннос­ тей, сложности и малой изученности процессов очистки. Такая постановка исследований, кроме решения частных задач, позволяла: установить агрегатные состояния ртути в производственных потоках, составы и физико-химичес­ кие характеристики растворов и отходов; определить наи­

более рациональные способы технологии извлечения рту­ ти из различных технологических потоков; получить рав­ новесные и кинетические характеристики процессов вы­ деления ртути из промышленных растворов и отходов.

Все это является результатом решения технологичес­ кой задачи, которая в данном случае состоит в получении необходимой информации о протекании процессов очист­ ки ртутьсодержащих сред и предшествует решению зада­ чи математического моделирования и оптимизации на основе методов планирования эксперимента. В свою оче­ редь задача оптимизации определяется той очевидной целью, которая предполагает обеспечение максимального извлечения ртути из всех технологических сред предла­ гаемыми методами утилизации ртути.

Как видно из рис. 5.1, объект исследования представ­ ляет собой сложную систему, составными звеньями кото­ рой являются различные процессы очистки. Для удобства математической формулировки задачи оптимизации исследуемый объект можно представить блочной схемой, изображающей потоки ртутьсодержащих сред, участвую­ щих в производстве-каустической соды и хлора (рис. 5.2).

На этой схеме блоки 1, 2, ., k представляют собой разработанные технологами методы и установки, позво­ ляющие осуществить утилизацию ртути, содержащейся в технологических потоках.

В производственных условиях извлеченная ртуть воз­ вращается в технологический цикл через так называемую буферную емкость (£), куда она поступает из всех бло­ ков в результате реализации процессов очистки, вслед­ ствие чего возвращаемый в производство поток ртути в количестве у0 является разомкнутым. Поэтому в целом рассматриваемую систему извлечения ртути из различ­ ных технологических сред можно представить параллель­ ными блоками без обратной связи. Входные величины блоков Xj (/= 1 , 2, ..., k) связаны между собой, неуправ­ ляемы и определяются технологическим режимом произ­ водства хлора и едкого натра. Выходные величины каж­ дого блока t/j(j= 1,2, k) объединяются в суммарную выходную переменную объекта. Технологические блоки

Рис. 5.2. Блок-схема потоков ртутьсодержащих сред в про­ изводстве едкого натра.

Таким образом, задача оптимизации рассматриваемо­ го технологического комплекса сводится к задаче оптими­ зации системы с параллельным соединением процессов (см. гл. 3, задачу 3.1.2).

Применительно к рассматриваемой технологической системе задача оптимизации (максимальное извлечение ртути) может быть несколько изменена вследствие двух обстоятельств. Во-первых, в данном случае функция цели блоков системы совпадает с выходной переменной tjj, оценивающей количество извлеченной ртути. Во-вторых, исходя из технологических требований, которые опреде­ ляются высокой токсичностью ртути и методами измере­ ния ее содержания, Цредпочтителен вариант измерения содержания не извлеченной, а остаточной ртути в каждой из ртутьСодержащих сред. При этом следует также учесть, что методы измерения малых количеств ртути хо­ рошо отработаны и отличаются высокой точностью.

Таким образом, задачу оптимизации в данном случае более целесообразно формулировать как задачу миними­ зации содержания остаточной ртути. Исследования так­ же показали, что изменение Xj в реальных промышлен­

ных процессах очистки от ртути технологических сред производства едкого натра и хлора практически не вли­ яет на степень очистки, т. е. на выходную переменную.

Изложенное выше позволяет сделать вывод о том, что оптимизация системы (см. рис. 5.2) может быть прове­ дена на нижнем уровне решением частных задач оптими­ зации каждого блока (определение xj0UT) при регламен­ тированных технологией производства содержаниях ртути ^Отехн^ const в ртутьсодержащих потоках, поступающих в блоки Г, 2, 3, ..., k. Следовательно, оптимизация изу­ чаемой системы заключается в поиске оптимальных ре­ жимов каждого технологического блока (или процесса оч'истки) на основе методов планирования эксперимен­ та. Решение указанных задач оптимизации проводится

жащих шламов. Информация о процессе. Проблема ре­ генерации ртути из.бедных ртутьсодержащих шламов до сих пор еще не удовлетворительно решена в основном изза существенных трудностей реализации технологическо­ го процесса извлечения ртути при малых ее количествах в исходном* сырье, невысокой экономичности этого про­ цесса (мало ртути регенерируется) и беспечности по от­ ношению к отходам, содержащим хотя и небольшие, но опасные количества сильнотоксичного вещества. В ре­ зультате происходит недопустимое накопление бедных шламов,особенно в крупнотоннажном производстве едкой щелочи и хлора ртутным электролизом. Поэтому их пе­ реработка приобретает первостепенное значение.

В условиях производства хлора по утверждению тех­ нологов наилучшим методом перевода ртути из бедных шламов в растворимые соединения является мокрое хло­ рирование, которое отличается высоким коэффициентом извлечения ртути (г] = 90%), если хлором обрабатывают­ ся солянокислые суспензии. Следует подчеркнуть рента­ бельность приготовления именно таких суспензий, по­ скольку в производстве хлора имеется для этой цели до­ статочное количество абгазной соляной кислоты.

Предварительные исследования процесса хлорирова­ ния солянокислых суспензий проводились на лаборатор­ ной установке, основным элементом которой был реактор,