Об экономической оценке экологичности технологического процесса и оборудования

Современный период развития отечественной экономики связан с возрастающей ролью предприятий сервиса в жизни нашего общества. Не являются исключением из этой закономерности предприятия торговли и ресторанного бизнеса, многие из которых осуществляют полный цикл переработки от пищевого сырья до готового продукта.

Экономические реалии заставляю такие предприятия решать две взаимосвязанные задачи: более полно перерабатывать используемой сырье и заботиться об уменьшении перерабытывающими производствами экологической нагрузки на окружающую среду.

Пусть, например, некоторое предприятие, имеющее собственное производство, связанное с переработкой жиросодержащей продукции (кондитерское, мясо- или рыбоперерабатывающее и т.д.) озабочено снижением выброса технологических или промывных жиросодержащих стоков воды. Удаляя поверхностный слой жира, собирающийся на поверхности в отстойнике, например с помощью устройства изображенного на рис.1, оно пускает собранную фракцию в основное или вспомогательное производство [1].

Устройство состоит из ванны с разделяемыми жидкостями 1, отжимных валков 2 и транспортирующих валков 3, установленных на входе размещенной на них упругой пористой ленты 4 в ванну, отжимные валки размещены вне ванны, причем один из них выполнен полым и перфорированным, а внутри него диаметрально противоположно зоне контак- та с упругой пористой лентой и вторым отжимным валком размещен желоб 5 для отвода жировой фракции, причем транс- портирующие валки соединены между собой пружиной 6 и установлены на вхо- де в ванну так, что один из них касается своей поверхностью зеркала ванны, а второй размещен в ней и межосевая ли- ния транспортирующих валков составляет угол а с межосевой линией отжимных валков            при

cos а =---

1 + h этом где R – ради-

1 к ) R - E J

ус транспортирующего валка; h – толщина упругой пористой ленты; k – коэффициент упругости пружины; E – модуль упругости пористого материала.

Работает устройство следующим образом. Пористая упругая лента 4 поступает в зону размещения транспортирующих валков 3, где под действием пружины 6 деформируется. При ее сжатии из отдельных пор легко удаляется находящийся там воздух, поскольку поверхности ленты не испытывают на себе никакого дополнительного воздействия. Перемещаясь в ванну 1 с разделяемыми жидкостями, лента за счет упругих свойств начинает восстанавливать свою геометрическую форму, вбирая в себя жировую фракцию. Имея строго заданную толщину, лента воздействует только на определенный удаляемый слой жидкости, не перемешивая его с другими. Приходя по мере перемещения в соприкосновение с подпружиненными отжимными валками 2, пористая лента снова деформируется, освобождая поры от собранной с поверхности ванны жировой фракции.

Рисунок 1 – Технологическое оборудование для удаления жиросодержащей пленки

Собранная жировая фракция через перфорацию одного из отжимных валков поступает в размещенный в нем желоб 5 и удаляется для дальнейшей переработки. В дальнейшем описанный цикл деформирования упругой ленты с поглощением удаляемой фракции повторяется.

Аналитическую модель описанного оборудования можно представить следующим образом.

Пусть непрерывная лента упругого пористого материала, проходя между двумя валками, установленными по урезу разделяемой эмульсии, сжимается, а после входа в верхний более легкий слой восстанавливает первоначальную структуру с заполнением пор наиболее легкой фракцией расслоившейся эмульсии (рис.2).

Определим основные параметры процесса, влияющего на время t, необходимое для полной «пропитки» такой ленты толщиной h.

Для записи уравнения Навье-Стокса и соответствующих начальных и граничных условий воспользуемся следующими соображениями.

Предположим, что диаметр одного из сжимающих валков значительно больше диаметра другого валка, то есть d<

Для указанных ограничений течение жидкости вдоль продольной оси отдельной поры можно считать одномерным, массовые силы отсутствующими, а движущей силой такого течения - атмосферное давление.

Уравнение Навье-Стокса и начальные условия интегрирования в этом случае будут выглядеть достаточно просто

. (1)

Граничные условия запишем, пренебрегая изменением длины пор при формообразовании, считая ее равной толщине деформируемой ленты, и выбирая начало координат на оси большого валка на расстоянии h от малого валка. В этом случае на правом торце пор имеем

77 - - = : , (2)

а граничные условия на левом торце определятся из уравнения Бернулли, записанного для истечения жидкости через насадок под действием постоянного давления Р0

u(h,t)= A, где А = ф^2g(h+Pо/р) (3)

Интегрирование произведем используя известную температурновременную аналогию записанной задачи для распространения теплоты в конечном тонком стержне, заменяя температуру T на скорость и.

В общем случае для граничных и начальных условий, изображенных на рис.2, постановку такой задачи можно записать следующим образом.

Рисунок 2 - Принципиальная схема деформирования упругого пористого материала: 1 - малый валок; 2 - большой валок;

3 - упругая пористая лента

~ h0Y-kY 1 = h0u0,

~

hzу + (lh + к)у! = h u .

Так как здесь h0 = 0, h, = да , то эти ~ уравнения принимают вид у1 = 0, у = ut и ~                    ~ мы имеем и = w + и, , f (x) = u0 - и, .

Для дальнейших преобразований введем новую искомую функцию w = w(x, 1), связанную с и формулой [2]

и(x,1) = w(x, 1) + у + У[x, где у и у.

-

не-

В капилляре конечной длины (с гидроизолированной боковой поверхностью) правый конец гидроизолирован:

которые постоянные коэффициенты, которые мы будем подбирать так, чтобы для функции w получились однородные

д и

дx

x=0

= 0, левый поддерживается при

краевые условия. Так как

ди  д w

— = — + у,, то дx  дx

условия:

~ постоянной скорости: и|^ = и, , а начальная скорость постоянна по капилляру: и\о = и0 . Предварительно определим у и Y1 из уравнений определяющих требование однородности, которые состоят в выполнении равенств

, ди

k

дx

= h ] u x=0       v

~

I x=0 ^{- и} 0 Г ^;

, ди

- к — дx

= h < u x=l          ^-

I x=l

~

u

перепишутся в виде:

, д w

k

дx

= ^h 0 w.

x=0

| x=0 ⁺h 0 у^{- к}у 1

~

^{- h} 0 ^u 0 ^;

Рисунок 3 - Принципиальная схема формоизменения пор: 1 - зона «сухого» деформирования; 2 - зона упругого восстановления формы материала.

—

, д w

k

дx

= hw|

x=l

Далее to

I x=l

~

+ hу + (lh + к) у, - h_z u_z.

по

(2 n+1)²n²a ²1

^w(x,¹) = ”^ane    ⁴¹²

n=0

cos

формуле

(2 n + 1)nx

2l

,

причем начальное условие, в этом случае, записывается так:

Е”       (2n + 1)nx      х аn cos-------= f (x), n =0              21

0 < x< l.

Легко проверить, что система функций cos(2n +^1)nx (n = 0,1,2,...) ортогональна на интервале (0, l) . Поскольку f 2(2n + 1)nx , l cos ---:----dx = —, то коэффициенты

0          21          2

a _n разложения функции f1(x) по ортогональной системе функций находятся по

формулам: а„ =

2 jf (х) l 0

cos2

(2 n + 1)пх ^

^d^C ;

2l

Пусть при использовании такого технологического оборудования совер

шенствование режимов процесса снизило

~

2(u - u,)      (2n + 1)nx , a„ =----0----1 cos-----:------dx = ...

ⁿ         l                  2l

₌ ^uj-u/)

(2 n + 1)n

Подставляя последнее выражение в формулу для w , получаем искомое решение задачи.

Таким образом, решением будет

количество отходов жирового сырья при переработке с n0 до щ. Покажем, каким образом использование этих результатов влияет на общую эффективность реа-

лизуемого процесса.

Откорректируем объем перераба-

~

~

u=u+

⁴⁽uо ^-ui)

π

∞

I (-1)

n=0

X...

... X

(2 n + 1)пх cos------—

2l

2 n +1

(2 n+1)²n²a²1 e      ⁴¹ l

При этом, учитывая записанные ранее граничные условия для гидродинамической задачи, в полученном решении

следует заменить параметры uо,ui,^aна соответствующие величины, взятые из (1), (2) и (3). Преобразованное при такой замене решение будет выглядеть следующим образом

тываемого сырья с точки зрения получения "на выходе" одного и того же количества готового продукта А. С этой целью можно записать А = а₀ (1 -n0) = ai(1 -n 1), откуда следует, что новый объем переработки сырья определится как а1 = а₀(1 —n₀)/(1-n 1), где: а₀- первоначальный объем переработки сырья; n₀ и n 1 -доля отходов на базовом и усовершенствованном оборудовании, соответственно.

Пусть использование новшества привело к увеличению стоимости оборудования с С до C 1 =А 1 C.

С учетом этих изменений балансовая стоимость оборудования определится (с затратами на доставку и монтаж) соотношениями А₂С и A₂C1, для базового и усовершенствованного образцов обору-

дования, соответственно.

Сопутствующие    капитальные

∞

u = A--У (-1)n x...

^Пn=0

... X

(2 n + 1)nx cos _______2 h

2 n +1

(2n+1)²n²v t 4 h²

Для достаточно больших значений

вложения в этом случае определятся как К0 =АзС и Ki=A3C1 =A3A1C.

В составе эксплуатационных затрат рассмотрим: амортизационные отчисления; затраты на текущий ремонт и техобслуживание; стоимость электро-

t это выражение дополнительно упростится и может быть представлено в ви-

де: u « A

4 A

n²v t 4 h h^

энергии; стоимость спецодежды.

Амортизационные отчисления и отчисления на капремонт оборудования

π

πx cos .

2 h

составят:

А мо  =А 4А з С;  А м1 =  А 4А з С1  =

Учитывая принятую модель за-

полнения капилляра и соответствующее выражение для А, окончательно имеем

I          Р        Д  - n2v t

u ~ф 2q(h + — )(1--e 4h2 cos—).

p     n        2 h

Полученная модель дает представление об основных параметрах влияю-

А 4А зА1 С; Кро = А 5А 2 С; Kр1 = A 5A 2 С1 =

A 5A 2A1C.

Затраты на текущий ремонт и техобслуживание определяются величиной

амортизационных отчислений и составят

Тро = А бА

мо ;

Тр1 = АбАм1 .

Затраты на электроэнергию рас-

щих на процесс заполнения тонкого слоя пористого материала и позволяет произвести оценку основных технологических параметров реализующих его технологических устройств.

считывают, исходя из потребляемой мощности, годового времени работы

оборудования и стоимости киловаттчаса электроэнергии, причем коэффициент загруженности оборудования определяется дневной нормой переработки сырья и производительностью оборудования.

Производительность нового оборудования можно определить из следующих соображений. Энергозатраты определяются количеством отделенных при переработке частичек, так как все они вступают в контакт с рабочими органами. При одинаковой мощности используемых электродвигателей за единицу времени на базовом и новом образцах оборудования должно быть отделено одинаковое количество отходов, следовательно P nо = P1 n1 .

Таким образом, для энергозатрат получаем: Эзо = А7 (а0 /Р); Эз1 = А7 (а1 /Р1 ) = А7 (а0 /Р)(1-n0)n1 /[(1-n1)n0].

Заработная плата рабочего, обслуживающего оборудование, с соответствующими начислениями также зависит от фактически отработанного времени, то есть объема переработки сырья и производительности машины Зпо = А8 (а0/Р); 3п1 =A8 (a1/P1) .

Аналогичным образом определяются затраты на спецодежду: Соо = А9(а0/Р) ; Cо1 = A9(a1/P1) .

Учет показателей надежности, в частности долговечности, произведем введением в анализ коэффициентов рено- вации, определяющихся, как известно, формулой R = Е/[(1+Е)T-1] ,где Е – норматив приведения ; Т - срок службы оборудования, лет.

Используя приведенные соотношения, известную формулу для оценки эффективности нового оборудования

— Q ^В1  (Ro⁺EH )

Э З 0 ■ В 0 ■ (R1+ Ен)

(И1 - И2)-Ен (К2 - К1) _э

+      R1+ Ен        З, которую

можно переписать, с учетом стоимости высвобожденного сырья, в виде:

э=(С (1 - no AsEn+Е.) -     ' )^+...

ние для экономической эффективности запишется следующим образом:

Э_к = -———, где: С - стоимость ба-⁽(1+Е ) Тт -1 ^{+ Е}н )

зового образца оборудования; А – объем переработанного сырья "на выходе"; Р – производительность базового образца; Т – срок службы базового образца; m – коэффициент повышения срока службы нового образца; n0 – коэффициент потерь сырья базового образца;n1 – коэффициент потерь сырья нового образца; Eн – нормативный коэффициент эффективности капвложений; А0 – стоимость одного килограмма сырья; АI– соответствующие коэффициенты.

Соотношения полученного типа целесообразно использовать при оценке экологичности определенных технических решений (технологических процессов или оборудования), имея в виду что выведение из производственных стоков дополнительного количества жиров снижает их вредное воздействие на окружающую среду.

С экологической точки зрения полезность предложенных решений выходит за рамки отраслевых пределов, поскольку такие устройства могут с успехом использоваться, например, для очистки поверхностей водоемов от разлившейся по ним нефти.