3. Форма вхідних даних

Вхідні дані вводять в файл SUS.DAT, який містить три рядки заголовків і два рядки чисел:

___SUS_________________________________________________________________

___N___NX___NA____W____CO,G/L__J2 л/час_____J7______J3_____J45_____ALD

3 2 0 0 200 0.95 1.6 5 1000 0

____C(NX)_______C(NN)___NOM

22 0.005 2

(Далі в файлі наведені скорочені пояснення всіх позначень та умов роботи програми).

N		Загальна кількість ванн промивання
NX		Номер ванни виходу потоку промивної води, 1…7
NA		Номер ванни входу виробів , 0… N
W		Числовий індекс: при W=1 в систему входять вироби осушені, і на вході в ванну NA J1=0 , а при W=0 – вироби входять після попередньої промивки, і J1= J2.
CO,G/L	С0	Концентрація КК в операційній ванні “0”, константа
J2 л/час	J2	Потік розчину на поверхні виробів, л/год
J7	J7	Швидкість випаровування води з поверхні електроліта, л/год
J3	J3	Потужність випарного (або ультрафільтраційного) пристрою локальної регенерації електроліту, або вхідний потік розчину на переробку, л/год. Пристрій “вимкнено” при J3=0.
J45	J4+J5	Вхідний потік промивної води в ванну “N”, л/год
ALD	Е	Коефіцієнт регенерації електроліту в електродіалізаторі (формула 3). Пристрій “вимкнено” при Е=0.
NOM		Числовий індекс вибору варіанта задачі: 1- задано CNX, знаходять J4+J5, С1….СN (крім CNX ) 2- задано CNN, знаходять J4+J5, С1….СN-1 3- задано J4+J5 ,знаходять С1….СN
C(NX)	CNX	Задане значення концентрації в ванні виходу промивної води
C(NN)	CNN	Задане значення концентрації в останній ванні промивання (ГДК)

Програма sus Mоделювання стаціонарних масообмінних процесів в промивних системах гальванічних ліній

1. Обєкт і мета розрахунків

1.1 Фізичний обєкт, який моделюється – стаціонарний (безперервний) технологічний процес в локальнійсистемі очищення промивної води (рис.1). До технічного комплексу входять одна операційна ванна з номером ”0”,до7ваннпротитечійногопромивання (номериN=1…7). Додатково в систему можна включати також незалежні електродіалізний, випарювальний або ультрафільтраційний пристрої з регульованою потужністю, разом або окремо.

В системі можливі 7 транспортних потоків води і електроліту (числові позначення потоків J л/год є їх індексами в формулах ):

3. Вхідний потік умовно чистої води на поверхні виробів, з останньої промивної ванни після попередьої гальванічної операції ,J₁. Відсутній, якщо вироби входять сухі.

4. Потік електроліту з операційної ванни в ванни промивання на поверхні виробів, J₂=J₁; це головний механізм втрат електроліту з операційних ванн і його попадання в стічні води підприємства.

3) Замкнутий потік випаровування через додатковий зовнішній випарювач [B]в лінії 3. Випарювач вважається умовно “герметичним” : розчин в операційній ванні (або в ванні “1”) випаровується від зовнішнього додаткового нагрівача, пар конденсується повністю(без втрат), а конденсат подається в останню ванну промивання (N). Цей механізм працює таким чином: вода випарюється, об’єм електроліту в операційній ванні зменшується, а зворотний потік конденсату J₃, який проходить через весь каскад, повертає частину електроліту (речовини) з ванн промивання в операційну ванну.

4) Вхідний компенсаційний потік чистої води J₄=J₇ в останню ванну промивання (N), призначений для компенсації втрат води на випаровування з відкритої поверхні електроліту в усіх ваннах (умовно швидкість випаровуванняJ₇ віднесена до операційної ванни). Як і потікJ₃, зворотній потікJ₄виконує регенеративні функції, повертаючи частину втраченого електроліту

Рис.1. Схема масових потоків в системі промивних ванн

5. Вхідний потік промивної води в систему J₅ (основний); в проточній системі вихід промивної води може бути організований з будь-якої ванни промивного каскаду. Якщо це ванна з номером NХ, тоді ванни NХ…N будуть проточними, а ванни 1…(NХ-1) непроточними, або ваннами уловлювання (ВУЛ).

6. Масовий зворотний потік електроліту (речовини) через електродіалізний пристрій “Е” з системи промивання в операційну ванну;

7. Потік випаровування води з поверхні електроліту всіх ванн J₇, віднесений до ванни “0”.

Траєкторія руху виробів (потік 1) може мати петлю: вироби входять в систему не в операційну ванну, а спочатку в ванну промивання з номером NA=1…7, за схемою (циклограмою) NA(NA-1)…1012…N.Петлядає можливість частину електроліту з ванн промивання повернути в операційну ванну зворотним потокомJ₁.

1.2. Мета роботи- вивчення закономірностей масообміну в промивних системах ліній гальванічних покрить [1,2], оптимізація структури і робочих режимів промивних систем з деякими локальними системами регенерації електроліту (випарювання, електродіаліз, ультрафільтрація).

1.3. Програма розраховує характеристики стаціонарного режиму масообміну в системі промивних ванн: концентрації, масові потоки, ступені уловлювання (регенерації) електроліту, при різних структурах промивної системи (кількість і функції ванн, точки входу і виходу потоків), з включенням або без включення додаткових регенераційних пристроїв – випарювача, електродіалізатора, ультрафільтраційної установки.

2. Математична модель і алгоритм

Ванни промивання. Математична модель стаціонарного масообміну в системі N ванн промивання складається з N алгебраїчних рівнянь балансу для одного з компонентів електроліту (“контрольний компонент”, “КК”)

(1)

де n=1… N -порядковий номер ванни промивання, а всі доданки-потоки в дужках мають множники, які приймають значення ”1” або “0” в залежності від наявності або відсутності відповідного потоку.

Додатковим в системі є рівняння стаціонарного балансу об’ємних потоків розчинів:

. (2)

З цього рівняння визначається потік виносу J₂ як функція J₂ та J₇.

Електродіалізатор. Як один з можливих варіантів регенерації електроліту можна використати електродіалізний спосіб знесолювання електролітів на іонообмінних мембранах. Принцип його роботи [3] в складі гальванічної лінії можна пояснити з рис.1: через камери концентрування циркулює електроліт операційної ванни, а через камери знесолювання – вода першої промивної ванни. При струмовому навантаженні електродіалізатора І_Е виникає приблизно пропорційний І_Е потік електроліту (речовини) з ванни “1” в ванну “0”.

В математичній моделі процес в електродіалізаторі враховується як ще один доданок в рівнянні балансу першої ванни промивання n=1 – масовий потік g_E контрольного компонента через електродіалізатор з ванни 1 в операційну ванну. Він задається у вхідних даних як частка _ від основного потоку винесення контрольного компонента з операційної ванни (g⁰ = -J₂C₀):

. (3)

Параметр _ є кінцевим результатом проектування електродіалізатора, він залежить від габаритних розмірів (площі мембран) і режиму роботи (струм і напруга) пристрою. Вибір _ як вхідного параметра в рівнянні (2) означає, що потім потрібно проектувати електродіалізатор (обирати його габарити і режим роботи) саме так, щоб було гарантоване обране тут довільно значення _ .

При використанні електродіалізного методу регенерації електроліту потрібно мати на увазі дві обставини.

1- оскільки значення _ пропорційне площі мембран, то чим воно більше (в ідеальному випадку при повній регенерації електроліту _1), тим більші будуть габаритні розміри електродіалізатора. Якщо винесення електроліту (-J₂C₀) значне, габарити електродіалізатора можуть перевищувати розумну межу.

2- Чим менша концентрація електроліту в ванні “1”, тим менша ефективність процесу електродіалізу (рис.2), тому практично неможливо цим методом досягнути 100% регенерації електроліту. Існує розумна нижня межа концентрації С₁, нижче якої використання електродіалізу нераціональне.

Рис.2. Якісна форма залежності ефективності роботи електродіалізатора (“виходу за струмом”) від співвідношення між концентраціями ванн “0” та “1”

Випарювальна система регенерації складається з випарного апарата [4] i конденсатора. У випарювач подають розчин із ванни “1” із заданою швидкістю J₃, яка дорівнює швидкості випарювання. Із такою ж швидкістю концентрат подають в ванну «0», а конденсат – в останню ванну «N». Регенеративний ефект виникає за рахунок зворотного потоку електроліта g₃ = J₃С₁ із ванни “1” у ванну “0”. Дія випарювального регенеративного механізму враховується в математичній моделі наявністю потоку J₃ в каскаді промивних ванн. Ефект такий же самий, як і від випаровування з поверхні електроліту (потік J₇= J₄), але на відміну від останнього потік J₃ може регулюватись.

Ультрафільтрація або зворотний осмос є способом мембранного очищення води від іонних домішок шляхом продавлювання розчину (тиск до 50 МПа) через спеціальні ультрамікропористі мембрани [5]. Як і при випарюванні, кінцевим результатом роботи УФ-пристрою є розділення потоку розчину на дві частини – концентрат, який направляють у ванну “0”, і очищену воду, яку направляють у ванну «N».

З математичної точки зору немає ніякої різниці в тому, яким саме способом здійснюється сепарація (розділення) розчину на дві частини, тому процес в УФ-пристрої ураховується в математичній моделі тим же самим потоком розчину J₃ , що і для випарника. Таким чином, потік J₃ є тим параметром, який потрібно розглядати як технічне завдання на проектування установки регенерації – випарювальної або ультрафільтраційної J₃

Концентрація електроліту в операційній ванні прийнята постійною (С₀).

Прийнято, що в усіх промивних ваннах з різною сумарною концентрацією електроліту співвідношення між концентраціями компонентів залишається незмінним і таким, як в операційній ванні. Тоді концентрації інших компонентів (С_Х) в ваннах промивання і їх масові потоки (g_X) в потоках електроліту можна визначити через концентрації і потоки контрольного компонента:

, (3)

Алгоритм. Система рівнянь математичної моделі вирішується ітераційним методом. Програма розраховує концентрації компонентів в усіх ваннах промивання, ступінь регенерації електроліту, його втрати. Передбачені три варіанти формулювання задач:

1- розрахунок при заданому значенні вхідного потоку промивної води J₄+J₅;

2- розрахунок при заданому значенні концентрації контрольного компонента в останній ванні “N” С_NN (дотримання технологічних і санітарних норм по гранично допустимих концентраціях речовин); визначається необхідний потік промивної води J₄+J₅;

3- розрахунок при заданому значенні концентрації в вихідному потокові промивної води С_NX. Цей потік найчастіше направляють на загальнозаводські системи знешкодження стоків. Через те, що вихідний потік J_NX містить чистий електроліт, його також можна використати і для організації інших регенераційних або утилізаційних локальних систем. Для цього потрібна така організація режиму роботи промивних ванн, щоб величина потоку J_NX була меншою, а концентрація електроліту в ньому – більшою.