Планирование эксперимента при оптимизации процессов химической техн

Рис. 5.4. Блок-схема программы поиска оптимального режима методом симплексов.

водственных помещений токсичными парами ртути. В технологической литературе описываются различные способы выделения ртути из солевого раствора, среди которых наиболее эффективными считают и о н о о б ­ м е н н ы й и с о р б ц и о н н ы й . В данной задаче рас­ сматривается извлечение ртути из отработанного анолита ионообменной смолой.

Ионообмен как способ выделения веществ из раство­ ров, содержащихся в них, позволяет утилизировать цен­ ные продукты или очищать растворы от нежелательных примесей. Этот процесс осуществляется с помощью иони­ тов (катионитов или анионитов). Применительно к про­ цессу очистки анолита от ртути чаще всего в качестве ионитов (анионитов) используются сильноосновные ио-

шэобменные смолы потому, что в присутствии больших количеств хлорида натрия ртуть находится в виде хлоридных анионных комплексов.

Исследования различных типов ионообменных смол для. извлечения ртути из анолита позволяют сделать вы­ вод о том, что хорошими сорбционными свойствами об­ ладает смола АВ-17, относящаяся к высокоосновным мо­ нофункциональным анионитам полимеризационной части данной задачи.

Построение математической модели. Выбор выходно­ го параметра и факторов. Процесс ионообменного погло­ щения и концентрирования ртути из анолита на анионите АВ-17 определяется степенью очистки раствора от рту­ ти; эту количественную характеристику целесообразно принять в качестве выходной переменной у.

Кинетические исследования рассматриваемого про­ цесса показали, что на выходную переменную у сущест­ венно влияют следующие факторы: время контакта (Х{, ч), количество смолы, загружаемой в аппарат (Х2, г), расход анолита (Х3, л/ч).

Область изменения указанных факторов оценива­ лась, исходя из технологических условий проведения про­ цесса и исследований его кинетики. При этом приняты такие ограничения: 4 ,4 ^A j^ 8 ; 5 ^ X 2 ^ 15; 0 ,8 ^А з^2 .

Выбор центра плана и интервалов варьирования.

Данные предварительных опытов показали, что центр плана (нулевые уровни факторов) целесообразно помес­ тить в точку с координатами Х10 = 5 ч, Х2о=\1 г, Х30 — = 1,25 л/ч и принять следующие интервалы варьирова­ ния: A Ji=0,5 ч, ААГ2= 1,5 г, АХ3 = 0,25 л/ч. Эти условия, а также значения верхнего и нижнего факторов и коди­ рованные значения х\ сведены в табл. 5.6.

План эксперимента (матрица планирования), соот­ ветствующий ПФЭ типа 23, представлен в табл. 5.7, в ко­ торую также занесены экспериментальные значения вы­ ходного параметра в параллельных опытах ( т = 2): уиь

А

Уи2 и уи, построчные дисперсии s2u и значения уи, пред­

ставленные по уравнению регрессии со значимыми коэф­ фициентами.

Реализация матрицы планирования осуществлялась на опытной установке, на которой проводились предва­ рительные исследования; точность измерения уи и фак­ торов соответствовала предъявленным требованиям.

Расчет коэффициентов уравнения регрессии и его статистический анализ проводились по алгоритму 1.5.1 и программе вычислений на ЦВМ «Мир-1». Результаты расчета приведены в табл. 5.8. В последних строчках этой таблицы записаны адекватные уравнения регрессии с переменными в кодированной форме и в натуральном масштабе.

Краткие выводы. Математическая модель — линей­ ное уравнение регрессии — пригодна для оценки влия­ ния каждого фактора на у (по величине и знаку коэффи­ циента), а также для определения оптимального режи­ ма процесса поглощения и концентрирования ртути из анолита на анионите АВ-17 (ионообменный способ).

5.1.5. Задача Б4. Извлечение ртути из отработанной серной кислоты. Информация о процессе. Согласно тех­ нологии производства хлора и едкого натра, получаемый

кодированной форме)

16Статистическая матема- А тическая модель (фак­ у = 53,19 — 3,72*! + 3,52Х2 — торы в натуральных — 10,36Хз единицах)

хлор-газ содержит влагу и ртуть в виде паров сулемы. Этот продукт перед поступлением потребителям подвер­ гается осушке орошением серной кислотой, которая раз­ бавляется и загрязняется ртутью (в кислоту переходит не только влага, но и сулема). Поэтому, отработанную разбавленную серную кислоту нужно обязательно очи­ щать от ртути, особенно в случае использования ее для получения удобрения (сульфата аммония). Многие опи­ санные в литературе способы очистки серной кислоты от ртути практически не применяются из-за существенных недостатков (низкая степень очистки — не более 90%, многостадийность, сложность аппаратурного оформле­ ния).

Экспериментальные исследования предложенного в 1973 г. сорбционного способа извлечения ртути из отра­ ботанной серной кислоты оксигидридом кремния пока­ зали, что разбавленная (15—20%-ная) серная кислота полностью очищается от ртути; с увеличением ее концен­ трации до 70% степень очистки уменьшается, а 70%-ная серная кислота практически не очищается от ртути этим способом. Из анализа результатов указанных исследова­ ний вытекает также, что на степень очистки разбавлен­ ной серной кислоты существенно влияет расход кислоты на входе в адсорбер (при изменении расхода 20%-ной кислоты от 5 до 12,5 мл/мин степень очистки составляет соответственно 98—92%) и количество адсорбента — оксигидрида кремния в аппарате (при увеличении со­ держания адсорбента от 3,5 до 13 г степень очистки воз­ растает от 88 до 99%). Изменение начальной концентра­ ции ртути от 2 до 16 мг/л приводит к незначительному колебанию степени очистки.

Построение математической модели. Выбор выходно­ го параметра и факторов. Анализ априорной информа­ ции и результаты кинетических исследований показыва­ ют, что в данном случае логично выбрать в качестве вы­ ходной переменной у — степень очистки серной кислоты от ртути, и факторами, существенно влияющими на про­ цесс очистки, расход отработанной кислоты в проточном адсорбере (Хи мл/мин), количество оксигидрида крем­ ния в аппарате (Х2, г) и концентрацию серной кислоты

№ , %).

Область изменения этих факторов можно определить на основе имеющейся информации о процессе; для реше­ ния рассматриваемой задачи выбраны следующие пре­ делы: 4 ^ X i^ l6 ; 14; 15^Х 3^ 4 0 .

Последующие этапы решения этой задачи выполня­ лись аналогично задачам Б1 и БЗ. Поэтому эти этапы

Матрица планирования ПФЭ 23 приведена в табл. 5.10.

Результаты обработки эксперимента приведены в табл. 5.11.

Краткие выводы. Найденные уравнения регрессии показывают, что эффективность процесса очистки умень­ шается с возрастанием концентрации серной кислоты и ее расхода. В то же время степень очистки возрастает с увеличением количества оксигидрида кремния. Эти вы­ воды полностью совпадают с наблюдениями реально протекающего процесса.

Полученная статистическая математическая модель может быть использована как основа для решения зада-

чи оптимизации с целью определения параметров опти­ мального режима проведения процесса.

5. 1. 6. Задача Б5. Очистка сточных вод от ртути. Ин­ формация о процессе. В производстве хлора и едкого на­ тра ртутным электролизом весьма существенным кана­ лом потерь ртути являются потоки загрязненных рту­ тью сточных вод, которые образуются при промывке электролизеров и аппаратуры, при ремонтах и других технологических операциях. Сточные воды пополняются также за счет конденсата холодильников и стоков гидро­ затворов водорода и хлора. Спуск таких вод в канали­ зацию категорически запрещен.

Среди различных способов извлечения ртути из сточ­ ных вод технологи отдают предпочтение восстановитель­ ной сорбции, которая обеспечивает высокую степень очистки. Адсорбционно-восстановительный способ обла­ дает достоинствами и является весьма перспективным для промышленной реализации очистки сточных вод от ртути, которая содержится в них как в ионной, так и в металлической формах. При этом рекомендуется исполь­ зовать в качестве сорбента оксигидрид кремния, который обладает высокой сорбционно-восстановительной емко­ стью и устойчивостью.

С целью сбора информации о процессе проведены спе­ циальные кинетические исследования основные резуль­ таты которых заключаются в следующем:

а) высокая степень очистки (99,8%) достигнута при скорости подачи сточной воды в адсорбер 75 мл/мин, со­ держании ртути в ней на входе в аппарат 1 мг/л и коли-

честве оксигидрида кремния 7 г; однако увеличение ис­ ходного содержания ртути до 5 мг/л привело к снижению степени очистки до 82% (при той же скорости и количе­ стве сорбента);

б) сточная вода очищается почти полностью при рас­ ходе воды 50 мл/мин, но при увеличении скорости пода­ чи степень очистки уменьшается и при 250 мл/мин со­ ставляет всего 80%;

в) степень очистки сточных вод растет от 82 до 98% при увеличении содержания оксигидрида кремния в ре­ акторе от 3 до 7 г; однако дальнейший рост количества сорбента не влияет на степень очистки.

Построение математической модели. Выбор исходно­ го параметра и факторов. Результаты предварительных исследований послужили основанием для выбора выход­ ным параметром у — степени очистки сточной воды от ртути, и факторами, существенно влияющими на процесс, исходную концентрацию ртути в сточной воде (Хь мг/л), ее расход (Х2, мл/ч) и количество адсорбента — оксиги­ дрида кремния (Яз, г).

Область изменения выбранных факторов также опре­ деляли исходя из результатов предварительных опытов:

0,5^ Z ,^ 5; ЗО^Хг^ЗОО; 2 < Х 3< 9 .

Последующие этапы построения математической мо­ дели, как и в задаче Б4, представлены в таблицах 5.12— 5.14.

Краткие выводы. Уравнение регрессии позволяет по значению и знаку коэффициентов регрессии (60> Ь\, &2> 6з) оценить интенсивность и направление влияния каж­ дой переменной на степень очистки сточных вод от рту­ ти оксигидридом кремния. Так, например, эффективно влияет на процесс очистки увеличение количества окси-

гидрида кремния; степень очисткиснижается при возрас­ тании концентрации ртути в сточной воде и увеличении расхода последней. Модель можно использовать для оп­ ределения оптимального режима очистки методом кру­ того восхождения.

5.1.7. Задача Б6. Извлечение ртути из продукционно­ го едкого натра. Информация о процессе. В производ­ стве хлора и едкого натра ртутным электролизом унос ртути с потоком продукционного едкого натра неболь­ шой по сравнению с другими технологическими средами (составляет около 0,5% #в условном балансе ртути). Од­ нако очистка от ртути этого потока имеет значение, глав­ ным образом, с точки зрения обеспечения высокого каче­ ства едкого натра (особенно при использовании его в производстве искусственного волокна) и сохранения нор­ мального санитарного состояния производственных по­ мещений заводов-изготовителей и потребителей едкого натра. Указанные обстоятельства вынуждают приме­ нять наиболее эффективные способы извлечения ртути

из растворов едкого натра.

Рассмотрение известных способов очистки растворов щелочи от ртути показывает, что большинство из них не обеспечивают требуемой степени очистки и применимы для выделения лишь одной из форм ртути. В связи с этим заслуживает особого внимания предложенный в 1972 г. способ очистки едкого натра от ртути экстракци­ ей жидким спецсплавом (ЖСС). Этот способ основан на свойстве ртути растворяться во многих металлах с обра­ зованием амальгам. Следует отметить, что ЖСС одно-