Σχεδιασμός Καθαρών Βιομηχανιών

Transcript

1 Σχεδιασμός Καθαρών Βιομηχανιών Θεματική Ενότητα 1: Εισαγωγικά Στοιχεία Τίτλος: Σημειώσεις μαθήματος «Σχεδιασμού Καθαρών Βιομηχανιών» Όνομα Καθηγητή: Βλυσίδης Απόστολος, Καθηγητής ΕΜΠ Σχολή Χημικών Μηχανικών

2 Άδειες Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς. Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο Πανεπιστήμιο Αθηνών» έχει χρηματοδοτήσει μόνο τη αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους.

3 ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ 1 Ορισμοί 3 2 Εισαγωγή 12 3 Επαναχρησιμοποίηση υγρών αποβλήτων Ελαχιστοποίηση παραγωγής αποβλήτων ως προς ένα συστατικό Σχεδιασμός διανομής νερού με σκοπό την ελαχιστοποίηση παραγωγής αποβλήτων ως προς έναν ρυπαντή Ελαχιστοποίηση παραγωγής αποβλήτων ως προς δύο συστατικά 32 4 Επεξεργασία των αποβλήτων με σκοπό την επαναχρησιμοποίησή τους Εισαγωγή Επεξεργασία και επαναχρησιμοποίηση αποβλήτων με βάση το ένα συστατικό Επεξεργασία και επαναχρησιμοποίηση αποβλήτων με βάση πολλά συστατικά 54 5 Επεξεργασία και ανακύκλωση αποβλήτων 60 Βιβλιογραφία 64 1 ο παράδειγμα εφαρμογής 71 2 ο παράδειγμα εφαρμογής 83 3 ο παράδειγμα εφαρμογής 91 2

4 1. ΟΡΙΣΜΟΙ Οικοσύστημα: Στοιχειώδη, αυτόνομη, μονάδα βιόσφαιρας η οποία θα μπορούσε να αποτελέσει σχεδόν κλειστό σύστημα ως προς τα ισοζύγια μάζας και ενέργειας, με σταθερά περιοδικούς χρόνους, μικρής σχετικής διάρκειας, ανακύκλωσης όλων των στοιχείων που το απαρτίζουν. Αυτή η ιδιότητά, της περιοδικής ανακύκλωσης, αποτελεί το κύριο χαρακτηριστικό του κάθε οικοσυστήματος που οφείλεται κυρίως σε βιολογικές και δευτερευόντως σε φυσικοχημικές ισορροπίες που έχουν επέλθει μετά από μακροχρόνιες επιδράσεις, σχετικά σταθερών περιβαλλοντικών παραγόντων, κυρίως της θερμοκρασίας και της υγρασίας. Τα οικοσυστήματα είναι ανοικτά ως προς την ενέργεια που λαμβάνουν, η οποία προέρχεται σχεδόν αποκλειστικά από τον ήλιο. Ελάχιστα οικοσυστήματα βρέθηκαν σήμερα που λαμβάνουν την ενέργεια τους από την γεωθερμία. Η ηλιακή ενέργεια εισάγεται στα οικοσυστήματα αποκλειστικά μέσω της διεργασίας της φωτοσύνθεσης και συσσωρεύεται με τη μορφή της χημικής ενέργειας στα οργανικά μόρια που συνθέτονται από την βιόμαζα του οικοσυστήματος. Όσο μεγαλύτερη είναι η ποσότητα βιόμαζας που περιέχει ένα οικοσύστημα τόσο μεγαλύτερη είναι και η δυνατότητά του να αξιοποιεί την ηλιακή ενέργεια. Όσο μεγαλύτερη συσσώρευση ενέργειας επιτυγχάνεται σε ένα οικοσύστημα τόσο αυξάνεται και η δυνατότητα του να συνθέτει ποσοτικά και ποιοτικά πολυπλοκότερα οργανικά μόρια. Ένα οικοσύστημα αναπτύσσεται ποσοτικά μέχρι τα όρια που του επιτρέπουν οι ποσότητες των στοιχείων, που διαθέτονται σ αυτό, για την σύνθεση της βιόμαζας του. Έχουν βρεθεί πάνω από 45 στοιχεία που απαρτίζουν ένα κύτταρο αλλά όμως πέντε από αυτά, ο άνθρακας, το υδρογόνο, το οξυγόνο, το άζωτο και ο φώσφορος είναι τα πλέον σημαντικά για την ποσοτική ανάπτυξη της ζωής. Ένας μέσος μοριακός τύπος της βιόμαζας ενός οικοσυστήματος, ως προς τα πέντε αυτά στοιχεία, είναι ο εξής: C5H7O2NP0.2. Το υδρογόνο και το οξυγόνο διαθέτονται άφθονα σε όλα τα οικοσυστήματα 3

5 μέσω του νερού, όμως τα υπόλοιπα στοιχεία διαθέτονται σε στέρηση. Όλα τα οικοσυστήματα είναι ανοικτά ως προς τον άνθρακα και το άζωτο λόγο της ατμοσφαιρικού αέρα ο οποίος διαθέτει τον άνθρακα με τη μορφή του διοξειδίου του άνθρακα και άζωτο με τη μορφή του μοριακού αζώτου. Όλα τα οικοσυστήματα διαθέτουν μηχανισμούς πρόσληψης του διοξειδίου του άνθρακα, μέσω της φωτοσύνθεσης, καθώς και ατμοσφαιρικού αζώτου, μέσω της λειτουργίας ειδικών νιτροβακτηρίων, αλλά οι ρυθμοί μεταφοράς και ενσωμάτωσης, των στοιχείων αυτών, στη βιόμαζα των οικοσυστημάτων είναι πολύ αργή. Από την άλλη πλευρά τα οικοσυστήματα, ως προς τον φώσφορο, είναι κλειστά συστήματα και επομένως συνήθως ο φώσφορος αποτελεί τον περιοριστικό παράγοντα ανάπτυξης τους. Η Σχήμα 1: Παραστατική ανάπτυξη ενός οικοσυστήματος Σ ένα οικοσύστημα, οποιοδήποτε οργανικό μόριο που υπάρχει σ αυτό, ανακυκλώνεται δηλαδή τα στοιχεία που απαρτίζουν το μόριο θα μεταποιηθούν σε μία σειρά άλλων μορίων αλλά μετά από κάποιο χρονικό διάστημα θα επανέλθουν ποσοτικά στην μορφή του αρχικού μορίου απ όπου ξεκίνησαν. Παράδειγμα: ο άνθρακας, με τη μορφή του διοξειδίου του άνθρακα, προσλαμβάνεται από τα φυτά με τον μηχανισμό της φωτοσύνθεσης, και μετατρέπεται σε γλυκόζη, κατόπιν υφίσταται μία σειρά μετασχηματισμών με μηχανισμούς βιοσύνθεσης και βιοαποσύνθεσης καταλήγοντας και πάλι σε διοξείδιο του άνθρακα. Αυτή η ιδιότητα της ανακύκλωσης αποτελεί 4

6 χαρακτηριστικό όλων των οικοσυστημάτων. Ο χρόνος ανακύκλωσης όμως είναι ειδικό χαρακτηριστικό του κάθε οικοσυστήματος. Σχήμα 2: Φυσική εξέλιξη ενός οικοσυστήματος Οι κύριοι μηχανισμοί λειτουργίας ενός οικοσυστήματος οφείλονται στον έμβιο κόσμο που περιέχεται στο οικοσύστημα αυτό και ο οποίος αποτελείται από ένα πλήθος διαφόρων κατηγοριών οργανισμών. Ο έμβιος κόσμος ενός οικοσυστήματος μπορεί να παρασταθεί σαν μία πυραμίδα (σχήμα 1) χωριζόμενο σε οριζόντιες φέτες όπου η κάθε φέτα αντιστοιχεί και στη ποσότητα βιόμαζας κάποιας κατηγορίας οργανισμού. Στη βάση της πυραμίδας ανήκουν οι απλούστεροι μονοκύτταροι οργανισμοί και όσο ανερχόμαστε προς την κορυφή τόσο συναντούμε και πιο πολύπλοκους στη λειτουργία τους οργανισμούς. Το εμβαδόν της κάθε φέτας ελαττώνεται ανερχόμενοι προς την κορυφή καθότι κάθε οργανισμός τρέφεται από τους παρακάτω του (βιόμαζα υποστρώματος) και επομένως ένα μέρος του υποστρώματος δαπανάται για τις ενεργειακές ανάγκες της φέτας. Επομένως η κάθε φέτα «ρυθμίζει» ή «ελέγχει» ποσοτικά όλες τις παρακάτω φέτες αλλά η ίδια «ελέγχεται» από όλες τις παραπάνω. Κάθε φέτα ανταγωνίζεται σκληρά για την επιβίωσή της, δηλαδή για την εξασφάλιση της απαραίτητης μάζας και ενέργειας που απαιτείται για την συντήρησή της καθώς και την διατήρηση της θέσης της στην ιεραρχία της πυραμίδας. Με βάση των θρεπτικών αναγκών, διακρίνουμε δύο χαρακτηριστικές κατηγορίες οργανισμών σε κάθε οικοσύστημα: τη βάση της πυραμίδας και τη κορυφή της. Η βάση της 5

7 πυραμίδας τρέφει όλες τις άλλες φέτες αλλά η ίδια τρέφεται από το ανόργανο περιβάλλον του οικοσυστήματος. Η κορυφή της πυραμίδας τρέφεται από όλες τις άλλες φέτες και επομένως αποτελεί τον επιβήτορα του κάθε οικοσυστήματος. Η βάση είναι κοινή για όλα τα οικοσυστήματα και την αποτελούν κυρίως τα βακτήρια και ελάχιστα οι μύκητες και τα μονοκύτταρα πρωτόζωα. Τα βακτήρια είναι οι απλούστεροι οργανισμοί που υπάρχουν στον πλανήτη, τρέφονται με διαλυτά οργανικά και ανόργανα μόρια γι αυτό και ονομάζονται πρώτιστοι μικροοργανισμοί. Ο ανταγωνισμός και ο συναγωνισμός όλων των οργανισμών μεταξύ τους καταλήγει σε μία δυναμική ισορροπία τους όπου το κάθε είδος οργανισμού βρίσκει την θέση του στο οικοσύστημα ποσοτικά και ιεραρχικά. Όσο υψηλότερα ανεβαίνει η κορυφή τόσο αυξάνεται η ποικιλομορφία του οικοσυστήματος. Αλλαγή των συνθηκών που επικρατούν στο οικοσύστημα π.χ. θερμοκρασίας, υγρασίας, θρεπτικών συστατικών κ.ά. διαταράσσουν τις ισορροπίες μεταξύ των οργανισμών δίνοντας την «ευκαιρία» μιας νέας μοιρασιάς της ιεραρχίας σε μία νέα κατάσταση ισορροπίας. Απότομες αλλαγές μπορεί να επιφέρουν πλήρη αδυναμία του οικοσυστήματος να «προλάβει» να ισορροπήσει και πάλι έτσι ώστε επέρχεται ο υποβιβασμός του δηλαδή η ελάττωση της κορυφής του. Η ποικιλομορφία ενός οικοσυστήματος αποτελεί τον μηχανισμό αντίστασης του στις απότομες εξωτερικές μεταβολές. Σχήμα 3: Επίδραση της ρύπανσης στην ανάπτυξη ενός οικοσυστήματος Με δεδομένο ότι το εμβαδόν της πυραμίδας εκφράζει την συνολική βιόμαζα ενός οικοσυστήματος, η εξέλιξη του χρονικά έχει ως εξής: Στην έναρξη λειτουργίας του ένα οικοσύστημα είναι υποβαθμισμένο δηλαδή το εμβαδόν της πυραμίδας, σε σχέση με την δυνατότητα ανάπτυξής του, είναι μικρό καθώς και η κορυφή του είναι χαμηλά. Όσο περνά ο χρόνος, με πολύ αργούς ρυθμούς αυξάνεται σταδιακά η βιόμαζα του οικοσύστήματος δίνοντας την απαραίτητη ενεργειακή δυνατότητα ανόδου της κορυφής. Οι ρυθμοί αυτοί επηρεάζονται επίσης και από την θερμοκρασία, την υγρασία και το ph του 6

8 περιβάλλοντος. Όσο το οικοσύστημα αυξάνει τη βιόμαζα του και ανεβάζει την κορυφή του τόσο αυξάνονται και οι ρυθμοί μεταφοράς μάζας από το ανόργανο υπόστρωμά του εντός της βιόμαζας. Αν οι εξωτερικές συνθήκες παραμένουν σταθερές τότε, όσο το οικοσύστημα εξελίσσεται, η κορυφή της πυραμίδας ανέρχεται με μία σχετικά ανάλογη ανάπτυξη της βάσης της. Η φυσιολογική αυτή εξέλιξη του οικοσυστήματος «σκοντάφτει» συνήθως στην έλλειψη ενός στοιχείου που είναι απαραίτητο για την περαιτέρω αύξηση της βιόμαζας. Το στοιχείο αυτό ονομάζεται περιοριστικός παράγοντας ανάπτυξης (ή θρέψης) του οικοσυστήματος και συνήθως είναι είτε ο άνθρακας είτε το άζωτο είτε ο φώσφορος. Από εκεί και πέρα, το οικοσύστημα, για να σταθεροποιηθεί ακόμα περισσότερο, αυξάνει την κορυφή του είτε με εισαγωγή από άλλα οικοσυστήματα ανώτερων οργανισμών (βραχυπρόθεσμα) είτε μεταλλάσσοντας δικούς του οργανισμούς από κατώτερους σε ανώτερους (μακροπρόθεσμα). Στη περίπτωση αυτή όμως αυξανομένης της κορυφής της πυραμίδας ελαττώνεται ανάλογα η βάση της έτσι ώστε το εμβαδόν της να παραμένει σταθερό. Η αύξηση της ποικιλομορφίας ενός οικοσυστήματος αυξάνει επίσης και την ποικιλομορφία των οργανικών μορίων που ανακυκλώνονται σ αυτό με παράλληλη αύξηση του μέσου μοριακού βάρους και ελάττωση του ρυθμού ανακύκλωσης. Έτσι με τον τρόπο αυτό το οικοσύστημα αυξάνει την ικανότητά του να προσλαμβάνει και να συσσωρεύει την ενέργεια που του προσφέρεται. Κάποτε ο άνθρωπος αποτελούσε μέρος των οικοσυστημάτων, σήμερα συνήθως αποτελεί εξωτερικό παράγοντα που με τις δραστηριότητές του καταλύει την βασική ιδιότητα ενός οικοσυστήματος δηλαδή του κλειστού συστήματος των οικοσυστημάτων ως προς τα ισοζύγια μάζας και ενέργειας. Ρύπανση περιβάλλοντος: Κάθε διαταραχή των περιοδικών χρόνων ανακύκλωσης των στοιχείων ενός οικοσυστήματος που οφείλεται σε δραστηριότητες του ανθρώπου. Αν η διαταραχή είναι παροδική και μικρής έντασης τότε το οικοσύστημα επανέρχεται στην αρχική του κατάσταση μετά την απομάκρυνση της διαταραχής. Αν η διαταραχή είναι μόνιμη και μικρής έντασης τότε το οικοσύστημα ισορροπεί σε μία νέα θέση δηλαδή επέρχεται μόνιμη αλλαγή των περιοδικών χρόνων ανακύκλωσης των στοιχείων του. Η μεταβολή αυτή όταν αφορά την επιβράδυνση των περιοδικών χρόνων τότε η διαταραχή ονομάζεται τοξική ρύπανση για το οικοσύστημα αλλά όταν αφορά την επιτάχυνση των περιοδικών χρόνων τότε ονομάζεται οργανική ρύπανση ή ευτροφική ρύπανση. Η πρόσθεση θρεπτικών για τους μικροοργανισμούς συστατικών σε ένα οικοσύστημα αποτελεί κλασική περίπτωση ευτροφισμού. Ανάλογα με την ένταση της διαταραχής είναι και ο χρόνος που απαιτείται για την σταθεροποίηση των νέων ισορροπιών που θα επέλθουν στο οικοσύστημα. Αν οι παροδικές ή μόνιμες διαταραχές σε ένα οικοσύστημα είναι μεγάλης έντασης τότε υπάρχει περίπτωση το οικοσύστημα να απαιτεί άπειρο χρόνο για να μπορέσει να ξανά ισορροπήσει. Στη περίπτωση αυτή η ρύπανση επιφέρει ολοκληρωτική καταστροφή στο οικοσύστημα. 7

9 Η ποικιλομορφία ενός οικοσυστήματος αυξάνει τις πιθανότητες επιβίωσης του στις απότομες μεταβολές των συνθηκών από εξωτερικούς φυσικούς παράγοντες που επηρεάζουν κυρίως την κορυφή του και όχι την βάση Τέτοιες μεταβολές είναι π.χ. οι απότομες μεταβολές των καιρικών συνθηκών. Όμως αυτό δεν ισχύει στη περίπτωση απότομων μεταβολών στην βάση του οικοσυστήματος όπως είναι η ρύπανση που προκαλείται από τον άνθρωπο. Με την οργανική ρύπανση, μετατοπίζεται ο περιοριστικός παράγοντας ενός οικοσυστήματος δίνοντας την ευκαιρία στο οικοσύστημα να αναπτύξει περαιτέρω την συνολική ποσότητα βιόμαζάς του. Όμως η δυνατότητα αυτή αφορά άμεσα μόνο τη βάση της πυραμίδας η οποία αναπτύσσεται ακολουθώντας τον ρυθμό μεταβολής των θρεπτικών όσο μεγάλος και να είναι. Αν το οικοσύστημα, προ της ρύπανσης, είχε μετεξελιχθεί αρκετά, ανεβάζοντας την κορυφή του, τότε όσο πιο ψηλά έχει ανέβει αυτή και όσο η οργανική ρύπανση είναι πιο μεγάλη και απότομη τόσο πιο γρήγορη και αποφασιστική είναι η κατάρρευση του οικοσυστήματος. Παρόμοια είναι και η επίδραση της τοξικής ρύπανσης. Στη περίπτωση όμως αυτή η κατάρρευση προέρχεται από την απότομη συρρίκνωση της βάσης του οικοσυστήματος. Έτσι όσο πιο πρωτόγονο στην ανάπτυξή του είναι ένα οικοσύστημα τόσο πιο αποτελεσματικά αντιμετωπίζει την επιβίωσή του λόγω ρύπανσης. Η τοξικότητα αφορά την παρεμπόδιση ανάπτυξης ενός οικοσυστήματος ενώ η επικινδυνότητα αφορά την ανθρώπινη υγεία όπου άμεσα ή έμμεσα μπορεί να επιδράσει μία ρύπανση. Ένα απόβλητο μπορεί να είναι τοξικό για το περιβάλλον αλλά να μην είναι επικίνδυνο για τον άνθρωπο, μπορεί να είναι επικίνδυνο για τον άνθρωπο και να μην είναι τοξικό για το περιβάλλον και τέλος να είναι και τοξικό και επικίνδυνο. Η τελευταία περίπτωση είναι και η πλέον συνηθισμένη. Τα όρια συγκέντρωσης ρύπων ώστε να μην επέλθει καταστροφή ενός οικοσυστήματος, ονομάζονται όρια τοξικότας του οικοσυστήματος. Κάθε οικοσύστημα έχει τα δικά του ιδιαίτερα όρια τοξικότητας για κάθε παράμετρο ρύπανσης και τα οποία καθορίζονται με βάσει τις αρχές και τις μεθόδους της Επιστήμης Περιβάλλοντος και της Οικολογικής Μηχανικής. Μία ορθολογική ανάπτυξη ανθρώπινων δραστηριοτήτων σ ένα οικοσύστημα απαιτεί την, όσο το δυνατόν, ακριβή γνώση των ορίων τοξικότητάς του. Ανάλογα ορίζονται και τα όρια επικινδυνότητας. Η τοξικότητα και η επικινδυνότητα μιας ουσίας δεν έχει νόημα χωρίς την αναφορά στη συγκέντρωσή της διότι όλες οι ενώσεις γίνονται τοξικές και επικίνδυνες από κάποια συγκέντρωση και πάνω. Οικολογία: Η επιστήμη που μελετά τις επιδράσεις όλων των έμβιων όντων στα οικοσυστήματα ν και το αντίστροφο. Επιστήμη Περιβάλλοντος: Η επιστήμη που μελετά τις επιδράσεις του ανθρώπου στα οικοσυστήματα και το αντίστροφο. Η Επιστήμη Περιβάλλοντος 8

10 σε συνεργασία με την Οικολογική Μηχανική καθορίζουν τα όρια επικινδυνότητας εκπομπής ρύπων. Οικολογική Μηχανική: Η επιστήμη που προβλέπει, μέσω μοντέλων προσομοίωσης, τις πιθανές μεταβολές που μπορούν να επέλθουν σ ένα οικοσύστημα από την επίδραση ανθρωπίνων δραστηριοτήτων. Τα μοντέλα πρόβλεψης ανθρώπινης δράσης αντίδραση οικοσυστήματος έχουν στοχαστικό χαρακτήρα επομένως απαιτείται η στενή συνεργασία της Περιβαλλοντικής Στατιστικής με την Οικολογική Μηχανική. Η ακρίβεια των στοχαστικών μοντέλων που οικοδομούνται εξαρτάται από την διαδικασία στατιστικής επιβεβαίωσης διόρθωσης μοντέλου που απαιτεί μεγάλο βάθος χρόνου. Οι Τεχνολογίες Περιβάλλοντος περιλαμβάνουν: α) Αντιρρυπαντική Τεχνολογία: Η επιστήμη που καθορίζει το σύνολο των τεχνολογιών που πρέπει να εφαρμοστούν, στην έξοδο μιας ανθρώπινης δραστηριότητας, ώστε οι εκπομπές ρύπων στο περιβάλλον να μην υπερβαίνουν τα όρια επικινδυνότητας του οικοσυστήματος. Οι Τεχνολογίες Περιβάλλοντος είναι κατασταλτικές τεχνολογίες και εφαρμόζονται εφ όσον έχουν εξαντληθεί όλες οι πιθανές λύσεις που μπορούν να προκύψουν από την εφαρμογή των Καθαρών Τεχνολογιών και των Τεχνολογιών Ανακύκλωσης οι οποίες αποτελούν προληπτικές τεχνολογίες. β) Καθαρές Τεχνολογίες: Η επιστήμη που ασχολείται με τις τεχνικές και τις μεθόδους που μπορούν να μεταβάλλουν την διαδικασία μιας παραγωγικής δραστηριότητας ώστε να μεγιστοποιήσουν την χρήση των α υλών και της ενέργειας που ισοδυναμεί με ελαχιστοποίηση των απορριπτόμενων παραπροϊόντων (απόβλητα). γ) Τεχνολογίες Ανακύκλωσης: Η επιστήμη που ασχολείται με την αξιοποίηση των παραγομένων παραπροϊόντων (αποβλήτων), από οποιαδήποτε δραστηριότητα, σαν α ύλες άλλων δραστηριοτήτων. Η ανακύκλωση των παραπροϊόντων στην ίδια δραστηριότητα αποτελεί αντικείμενο των Καθαρών Τεχνολογιών ενώ η ανάπτυξη νέων δραστηριοτήτων για την δυνατότητα αξιοποίησης παραπροϊόντων μιας δραστηριότητας αποτελεί αντικείμενο των Τεχνολογιών Ανακύκλωσης σε συνεργασία με την Επιστήμη Υλικών. Σήμερα τα κατάλοιπα των προϊόντων μιας δραστηριότητας, μετά την χρήση τους ανεξαρτήτου αποστάσεως από το σημείο παραγωγής τους, ανήκουν διοικητικά και λειτουργικά στα παραπροϊόντα της δραστηριότητας και επομένως αυτά πρέπει να συνυπολογιστούν στην αξιοποίηση ή στην επεξεργασία όλων των παραπροϊόντων στον τόπο παραγωγής. Παράδειγμα αποτελούν τα υλικά συσκευασίας, πχ η φιάλη από ΡΕΤ πόσιμου νερού, η οποία με τη νέα νομοθεσία πρέπει να επιστρέφεται στη βιομηχανία παραγωγής πόσιμου νερού η οποία και ευθύνεται για την διαχείρισή της και 9

11 όχι η Δημοτική Επιχείρηση Διαχείρισης Στερεών Οικιακών Απορριμμάτων. Μ αυτόν τον τρόπο η βιομηχανία εξαναγκάζεται να εξεύρει κατάλληλη τεχνολογία ανακύκλωσης ή επεξεργασίας των υλικών συσκευασίας της. Στη προσπάθειά της αυτή, για βιώσιμη λύση, θα πρέπει να συνεργαστεί, πιθανώς, με την Επιστήμη Υλικών. Έτσι πολλές βιομηχανίες εξαναγκάστηκαν να επιστρέψουν σε γυάλινες ή χάρτινες συσκευασίες για τις οποίες γενικά υπάρχουν βιώσιμες τεχνολογίες ανακύκλωσης ή αξιοποίησης. Σχήμα 4: Αλληλοσυσχέτιση επιστημονικών πεδίων με τις καθαρές τεχνολογίες Πολλές φορές όταν, μετά την εφαρμογή Καθαρών Τεχνολογιών και Τεχνολογιών Ανακύκλωσης, για τα εναπομένοντα παραπροϊόντα (απόβλητα) οι εφαρμόσιμες Τεχνολογίες Περιβάλλοντος δεν είναι και βιώσιμες τότε, πιθανώς, απαιτείται ο επανασχεδιασμός της παραγωγής των προϊόντων με διαφορετικές α ύλες ή ακόμη και την αλλαγή των προϊόντων. Στη περίπτωση αυτή απαιτείται η συμβολή της Επιστήμης Υλικών. 10

12 Η αλληλοσυσχέτιση όλων των επιστημών στη προσπάθεια να περιοριστεί, με βιώσιμο τρόπο, η επίδραση στο περιβάλλον της παραγωγής ενός προϊόντος παρουσιάζεται στο διάγραμμα του σχήματος 4. 11

13 2. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η χρήση του νερού και η παραγωγή υγρών αποβλήτων σε μία κλασική χημική βιομηχανία φαίνονται παραστατικά στο παρακάτω σχήμα. Το νερό αποτελεί την σπουδαιότερη α ύλη για την συντριπτική πλειοψηφία των βιομηχανιών. Τέσσερις μπορεί να είναι οι χρήσεις του νερού στη χημική βιομηχανία: α) Νερό για νερό θέρμανσης ή για ατμοπαραγωγή. Το νερό αυτό, ανάλογα με τη θερμοκρασία του νερού ή την πίεση του παραγόμενου ατμού απαιτεί και ειδική επεξεργασία. Το θερμό νερό αυτό ή τα συμπυκνώματα του ατμού μετά τη χρήση τους συλλέγονται και ανακυκλώνονται. Όμως, ανάλογα με την αρχική επεξεργασία του νερού, ένα μέρος του ανακυκλούμενου νερού πρέπει να απορρίπτεται (στρατσώνα) και να ανανεώνεται με φρέσκο επεξεργασμένο νερό. β) Νερό για τις ανάγκες ψύξης. Το ψυχρό αυτό νερό αφού χρησιμοποιηθεί επίσης συλλέγεται, απολυμαίνεται, ψύχεται σε πύργους ψύξης και ανακυκλώνεται με ανεξάρτητο κύκλωμα νερού. Επίσης ένα μέρος του ανακυκλούμενου νερού πρέπει να απορρίπτεται (στρατσώνα) και να ανανεώνεται με φρέσκο επεξεργασμένο νερό. γ) Νερό για την διάλυση και απομάκρυνση ανεπιθύμητων συστατικών από τις α ύλες. Μετά τη χρήση του το νερό αυτό, που ονομάζεται νερό διεργασιών, απορρίπτεται στο περιβάλλον σαν υγρό απόβλητο αφού επεξεργαστεί καταλλήλως σε μονάδα επεξεργασίας υγρών αποβλήτων. δ) Νερό που ενσωματώνεται στο τελικό προϊόν (π.χ. αναψυκτικά) Τα παραγόμενα υγρά απόβλητα, σε μία χημική βιομηχανία, προέρχονται αντίστοιχα από το στρατσωνάρισμα του κυκλώματος του θερμού και του ψυχρού νερού, του νερού διεργασιών (μετά την χρήση του) καθώς επίσης και από το στρατσωνάρισμα της μονάδας επεξεργασίας του νερού, το νερό που προϋπήρχε στις α ύλες (π.χ. παραγωγή οινοπνεύματος από κρασί) και τέλος από τα νερά τις βροχής. 12

14 ΑΚΑΤΕΡΓΑΣΤΟ ΝΕΡΟ ΔΙΕΡΓΑΣΙΑ 1 ΟΜΒΡΙΑ ΥΔΑΤΑ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΑΚΑΤΕΡΓΑΣΤΟΥ ΝΕΡΟΥ ΦΡΕΣΚΟ ΝΕΡΟ ΔΙΕΡΓΑΣΙΑ 2 ΥΓΡΑ ΑΠΟΒΛΗΤΑ ΔΙΕΡΓΑΣΙΑ 3 ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΝΕΡΟΥ Ατμός ΣΥΣΤΗΜΑ ΧΡΗΣΗΣ ΑΤΜΟΥ Απώλεια συμπυκνωμάτων Στρατσωνάρισμα Βραστήρα Απόβλητα από αναγέννηση ιοντοεναλλακτών Στρατσωνάρισμα πύργου ψύξεως ΑΠΟΡΡΙΨΗ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΜΕΝΩΝ ΑΠΟΒΛΗΤΩΝ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΥΓΡΩΝ ΑΠΟΒΛΗΤΩΝ Χρήση νερού και παραγωγή υγρών αποβλήτων σε μία χημική βιομηχανία Προτού ο σχεδιασμός μιας χημικής επεξεργασίας επικεντρωθεί στα συστήματα επεξεργασίας υγρών αποβλήτων πρέπει να επιβεβαιωθεί ότι τα παραγόμενα υγρά απόβλητα έχουν ελαχιστοποιηθεί. Ελάττωση των παραγομένων υγρών αποβλήτων επιδρά τόσο στην επεξεργασία των αποβλήτων όσο και στις ποσότητες του χρησιμοποιούμενου καθαρού νερού. Τα υγρά απόβλητα που παράγονται από μία διεργασία προέρχονται είτε από την επαφή του νερού με τις α ύλες της διεργασίας (π.χ. αφαλάτωση, απογύμνωση, πλύσιμο) είτε από απομάκρυνση νερού από βοηθητικά συστήματα (π.χ. επεξεργασία νερού για την τροφοδοσία των λεβήτων, νερό λεβήτων, νερό πύργων ψύξεως). Αν εξαιρέσουμε την πιθανότητα δραματικής αλλαγής της όλης διεργασίας τότε υπάρχουν τρεις δυνατότητες που μπορούμε να ακολουθήσουμε για να ελαττώσουμε την ποσότητα των αποβλήτων: 13

15 ΔΙΕΡΓΑΣΙΑ 1 ΦΡΕΣΚΟ ΝΕΡΟ ΔΙΕΡΓΑΣΙΑ 2 ΥΓΡΑ ΑΠΟΒΛΗΤΑ ΔΙΕΡΓΑΣΙΑ 3 ή γενικά Σχήμα 1: Διαδικασία επαναχρησιμοποίησης αποβλήτων Επαναχρησιμοποίηση. Απόβλητα μπορούν να επαναχρησιμοποιηθούν κατ ευθείαν σε άλλες διεργασίες λαμβάνοντας μέριμνα ώστε το επίπεδο ρύπανσης του επαναχρησιμοποιούμενου αποβλήτου να μην επηρεάζει την διεργασία (σχήμα 1). Επεξεργασία - επαναχρησιμοποίηση. Απόβλητα μπορούν να καθαριστούν με μερική επεξεργασία ώστε το επίπεδο ρύπανσής τους να επιτρέπει την επαναχρησιμοποίησή τους σε άλλες διεργασίες. Η επαναχρησιμοποίησή τους μπορεί να απαιτεί μίξη με άλλα απόβλητα ή και με καθαρό νερό (σχήμα 2). ΦΡΕΣΚΟ ΝΕΡΟ ΔΙΕΡΓΑΣΙΑ 1 ΔΙΕΡΓΑΣΙΑ 2 ΑΝΑΓΕΝΝΗΣΗ ΥΓΡΑ ΑΠΟΒΛΗΤΑ ΔΙΕΡΓΑΣΙΑ 3 ή γενικά 14

16 Σχήμα 2: Διαδικασία επεξεργασίας - επαναχρησιμοποίησης αποβλήτων Επεξεργασία - ανακύκλωση. Απόβλητα μπορούν να επεξεργαστούν πλήρως ώστε να μπορούν να ανακυκλωθούν στην αρχή της διεργασίας μαζί με το καθαρό νερό (σχήμα 3). ΔΙΕΡΓΑΣΙΑ 1 ΦΡΕΣΚΟ ΝΕΡΟ ΔΙΕΡΓΑΣΙΑ 2 ΔΙΕΡΓΑΣΙΑ 3 ΑΝΑΓΕΝΝΗΣΗ ΥΓΡΑ ΑΠΟΒΛΗΤΑ ή γενικά Σχήμα 3: Διαδικασία επεξεργασίας - ανακύκλωσης αποβλήτων 15

17 3.ΕΠΑΝΑΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΗΣΗ ΑΠΟΒΛΗΤΩΝ ΕΛΑΧΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΑΠΟΒΛΗΤΩΝ ΩΣ ΠΡΟΣ ΕΝΑ ΣΥΣΤΑΤΙΚΟ Θ εωρούμε μία βιομηχανική διεργασία που χρησιμοποιεί νερό και α ύλες για τη παραγωγή ενός προϊόντος (σχήμα 4α). Στη παραγωγική αυτή διαδικασία το νερό έρχεται σε επαφή με τις α ύλες σε επί μέρους διεργασίες με σκοπό να απομακρύνει ένα συστατικό που περιέχεται στις α ύλες και είναι ανεπιθύμητο στο τελικό προϊόν. Ετσι όμως το νερό εμπλουτίζεται με το συστατικό αυτό και καθίσταται ρυπασμένο. Μία τέτοια διεργασία π.χ. μπορεί να είναι ένας αφαλατωτής πετρελαίου όπου χρησιμοποιείται νερό για να «ξεπλύνει» το πετρέλαιο από το αλάτι που περιέχει. Το καθαρό νερό αναμιγνύεται σε κατάλληλη διάταξη με το πετρέλαιο και επειδή το αλάτι έχει μεγαλύτερη διαλυτότητα στο νερό απ ότι στο πετρέλαιο μεταφέρεται ποσοτικά από το πετρέλαιο στο νερό. Κατόπιν μία διάταξη διαχωρισμού του γαλακτώματος νερού-πετρελαίου απομακρύνει το νερό το οποίο έχει εμπλουτιστεί (ρυπανθεί) με αλάτι. Στο σχήμα 4(β) η διεργασία αυτή απεικονίζεται σε διάγραμμα με τεταγμένη την συγκέντρωση του αλατιού τόσο στο πετρέλαιο όσο και στο νερό και τετμημένη το ρυθμό μεταφοράς μάζας του αλατιού από τη μία φάση στην άλλη. Στη πράξη η μεταφορά μάζας στον αφαλατωτή αφορά έναν αριθμό ρυπαντών αλλά το πρόβλημα των πολλαπλών ρυπαντών θα αναπτυχθεί αργότερα. Η συγκέντρωση του ρυπαντή στα ρεύματα εισαγωγής και εξαγωγής της διεργασίας προσδιορίζονται από τις ανάγκες της διεργασίας. Το διάγραμμα 4(β) παριστάνει έναν πιθανό συνδυασμό συγκεντρώσεων εισαγωγής και εξαγωγής του νερού που ικανοποιεί τις ανάγκες μεταφοράς μάζας. Προσδιορίζοντας τις επιθυμητές συγκεντρώσεις εισαγωγής και εξαγωγής του ρυπαντή στο νερό καθώς και τη μεταφορά μάζας του ρυπαντή από την α ύλη στο νερό τότε καθορίζεται μονοσήμαντα και η παροχή του νερού. 16

18 Προφανώς, το ίδιο πρόβλημα μπορεί να λυθεί με διαφορετικές παροχές νερού και συγκεντρώσεις εισαγωγής και εξαγωγής του ρυπαντή (διάγραμμα σχήματος 4(γ)). Εάν επιθυμούμε να μεγιστοποιήσουμε τη δυνατότητα επαναχρησιμοποίησης του νερού από άλλες διεργασίες, στη συγκεκριμένη διεργασία που μελετάμε, τότε πρέπει να προσδιορίσουμε τη μεγαλύτερη συγκέντρωση ρυπαντή που μπορεί να έχει η εισαγωγή του νερού στη διεργασία. (α) Μία διεργασία που χρησιμοποιεί νερό Προσδιορίζοντας τη μεγίστη δυνατή συγκέντρωση του ρυπαντή στην εξαγωγή του νερού από την διεργασία τότε προσδιορίζουμε και την ελάχιστη παροχή νερού στη μεγίστη συγκέντρωση του ρυπαντή στο νερό εισαγωγής. (διάγραμμα σχήματος 4(δ)). Αυτό το προφίλ που φαίνεται στο σχήμα 4(δ) δεν είναι αναγκαίο να αποτελεί το τελικό προφίλ που θα χρησιμοποιηθεί. Απλώς αντιπροσωπεύει μία οριακή περίπτωση. Η οριακή αυτή κατάσταση ονομάζεται οριακό προφίλ νερού (limiting water profile, LWP). Κάθε άλλη παροχή νερού που βρίσκεται κάτω από το LWP της διεργασίας για τον συγκεκριμένο ρυπαντή, ικανοποιεί τις ανάγκες της διεργασίας. Το διάγραμμα του σχήματος 4(ε) δείχνει δύο παραδείγματα διαφορετικής παροχής νερού που ικανοποιούν τις προδιαγραφές της διεργασίας. Για τον καθορισμό του οριακού προφίλ νερού μιας διεργασίας ως προς τις συγκεντρώσεις εισαγωγής και εξαγωγής ενός συγκεκριμένου ρυπαντή πρέπει να ικανοποιούνται οι παρακάτω προϋποθέσεις: ελάχιστη διαφορά συγκεντρώσεων του ρυπαντή στην α ύλη και στο νερό (διαφορά δυναμικού μεταφοράς μάζας) η οποία μπορεί να διαφέρει από διεργασία σε διεργασία. μέγιστη διαλυτότητα αποφυγή καθίζησης του ρυπαντή από το διάλυμα (αν είναι σε διαλυτή μορφή) αποφυγή φραξίματος των μηχανημάτων παροχή νερού τουλάχιστον ίση με την ελάχιστη δυνατή ώστε να αποφεύγονται οι επικαθίσεις. 17

19 (β) Η διεργασία απεικονίζεται σε συντεταγμένες συγκέντρωσης έναντι ρυθμού μεταφοράς μάζας του ρυπαντή (γ) Διαφορετικά επίπεδα συγκεντρώσεων του ρυπαντή στο νερό καθώς και παροχές νερού μπορούν να λύσουν το ίδιο πρόβλημα (δ) Μεγιστοποιώντας την εισαγωγή νερού στην διεργασία καθώς επίσης και τις συγκεντρώσεις του ρυπαντή στην έξοδο ορίζεται το οριακό προφίλ του νερού. (ε) Κάθε γραμμή τροφοδοσίας του νερού που είναι κάτω από το οριακό προφίλ του νερού ικανοποιεί τις ανάγκες της διεργασίας. Σχήμα 4: Απεικόνιση διεργασιών που χρησιμοποιούν νερό. Εχοντας το οριακό προφίλ χρήσης νερού των επί μέρους διεργασιών μιας παραγωγικής διεργασίας μπορούμε πλέον να διαχειριζόμαστε τις διεργασίες μεταξύ τους, λειτουργικά ή συγκριτικά, σε κοινή πλέον βάση ως προς τη χρήση του νερού χωρίς να μας απασχολεί η φύση των διεργασιών δηλαδή π.χ. αν είναι εκχύλιση ή απογύμνωση. Η χρήση κοινών διαγραμμάτων οριακών προφίλ νερού όλων των διεργασιών μιας παραγωγικής μονάδας δίνει το πλεονέκτημα της δυνατότητας εφαρμογής γενικών μεθόδων περιορισμού χρήσης του νερού, όπως θα αναπτυχθεί παρακάτω, και επομένως ελάττωσης της ρύπανσης με έναν ομοιόμορφο τρόπο ανεξαρτοποιώντας την αλληλοεπίδραση των διεργασιών ως προς τη χρήση του νερού. Αυτή τη δυνατότητα «κανονικοποίησης» των διεργασιών σε ένα δίκτυο χρήσης νερού 18

20 σε παραγωγικές διεργασίες μας τη δίνει το οριακό προφίλ νερού το οποίο μας παρέχει όλες τις πληροφορίες δυνατότητας χρήσης του νερού στη συγκεκριμένη διεργασία. Γνωρίζοντας τα LWP όλων των διεργασιών μπορούμε να σχεδιάσουμε το δίκτυο νερού με τρόπο που θα επιτυγχάνουμε την ελαχίστη χρήση νερού και επομένως παραγωγής αποβλήτων και κατόπιν να προχωρήσουμε στις λεπτομέριες σχεδιασμού της κάθε διεργασίας χρησιμοποιώντας περισσότερο επεξεργασμένα μοντέλα. Η βασική προσέγγιση της μεθόδου υπολογισμού της ελάχιστης παροχής χρήσης νερού σε μία παραγωγική διαδικασία θα περιγραφεί παραδείγματα ώστε να γίνει κατανοητή και μάλιστα η εξέλιξη των παραδειγμάτων θα έχει αυξανόμενο ρυθμό πολυπλοκότητας. Το πρώτο παράδειγμα αφορά μία παραγωγική διαδικασία που αποτελείται από τέσσερις επι μέρους διεργασίες των οποίων τα οριακά προφίλ νερού ως προς ένα ρυπαντή είναι γνωστά και επιθυμούμε να ελαχιστοποιήσουμε την συνολική χρήση του νερού ως προς αυτόν τον ρυπαντή με κατάλληλο σχεδιασμό. Παράδειγμα 1. Μία παραγωγική διαδικασία οποία χρησιμοποιεί τέσσερις επί μέρους διεργασίες (σχήμα 5). Τα δεδομένα ως προς τα οριακά προφίλ χρήσης του νερού για κάθε διεργασία παρουσιάζονται στον πίνακα 1, δηλαδή δίδονται οι μέγιστες συγκεντρώσεις εισαγωγής και εξαγωγής του ρυπαντή Α στο νερό σε σχέση με την ελάχιστη παροχή νερού. Υποθέτουμε ότι η μεταφορά μάζας του ρυπαντή ακολουθεί γραμμική σχέση με τη συγκέντρωση του ρυπαντή. Αυτό συνήθως ισχύει σε αραιά συστήματα. Όμως αν η συμπεριφορά του συστήματος είναι σημαντικά μη γραμμική τότε μπορεί να χρησιμοποιηθεί η προσεγγιστική μέθοδος της διαίρεσης της διεργασίας σε μία σειρά διεργασιών με γραμμική συμπεριφορά. Τα διαγράμματα του σχήματος 6 παρουσιάζουν τα οριακά προφίλ νερού της κάθε διεργασίας καθώς και τις γραμμές λειτουργίας παροχής νερού υποθέτοντας ότι χρησιμοποιείται φρέσκο νερό για κάθε διεργασία και έχει ελαχιστοποιηθεί η παροχή για κάθε περίπτωση λαμβάνοντας τη μεγίστη συγκέντρωση εξόδου. Στο σχήμα 5 φαίνεται ο σχεδιασμός της όλης διαδικασίας όπου χρησιμοποιείται φρέσκο νερό για τη κάθε διεργασία. Εάν επιθυμούμε να ελαττώσουμε τη συνολική παροχή νερού πρέπει να αναλύσουμε τη συμπεριφορά της κάθε διεργασίας στο σύνολο της παραγωγικής διαδικασίας. Για να το πετύχουμε αυτό κατασκευάζουμε τη σύνθετη οριακή καμπύλη του προφίλ του νερού με τον τρόπο που υποδεικνύεται στα διαγράμματα του σχήματος 7. Στο διάγραμμα του σχήματος 7(α) οριοθετούνται τα διαστήματα συγκεντρώσεων εισαγωγής και εξαγωγής των διεργασιών. Όπως όμως έχει καθοριστεί η συμπεριφορά των συστημάτων είναι γραμμική, σε οποιοδήποτε σημείο του διαγράμματος των συντεταγμένων m C, τότε συνδυάζοντας τις διεργασίες εντός των διαστημάτων των συγκεντρώσεων παίρνουμε τη σύνθετη οριακή καμπύλη όπως φαίνεται στο διάγραμμα του σχήματος 7(β). 19

21 Η σύνθετη οριακή καμπύλη νερού αντιστοιχεί στη καμπύλη συμπεριφοράς του συστήματος σαν αυτό να λειτουργεί ως μία διεργασία. Όμως η πραγματική σημασία της σύνθετης οριακής καμπύλης θα φανεί περισσότερο όταν η μέθοδος προσέγγισης της οριακής παροχής νερού επεκταθεί παρακάτω και σε πολλούς ταυτόχρονα ρυπαντές. Προς το παρόν για λόγους απλοποίησης και κατανόησης της μεθόδου θα περιοριστούμε σε έναν μόνο ρυπαντή. ΠΙΝΑΚΑΣ 1: Δεδομένα οριακής χρήσης νερού των διεργασιών του παραδείγματος 1. Αριθμός διεργασία ς Ρυθμός μεταφοράς μάζας του ρυπαντή m (kg/h) Συγκέντρωση ρυπαντή στο νερό εισαγωγής CIN (ppm) Συγκέντρωση ρυπαντή στο νερό εξαγωγής COUT (ppm) Παροχή νερού m 3 /h Στο διάγραμμα του σχήματος 7(γ) φαίνεται η γραμμή τροφοδοσίας του νερού σε σχέση με την οριακή σύνθετη καμπύλη νερού. Μεγιστοποιώντας τη συγκέντρωση εξόδου της γραμμής παροχής νερού τότε ελαχιστοποιούμε την εισαγωγή φρέσκου νερού αλλά ελαχιστοποιούμε και τη παροχή του αποβλήτου που πρέπει να επεξεργαστούμε. Οσο μεγαλύτερη κλίση έχει η γραμμή παροχής νερού τόσο μικρότερη είναι η παροχή του νερού. Στο παράδειγμα 1 η ελαχίστη γραμμή αποβλήτων εφάπτεται της οριακής σύνθετης καμπύλης νερού σε δύο σημεία: στο σημείο (0,0) και σε ένα ενδιάμεσο σημείο στο σημείο (9,100). Κάθε σημείο όπου η γραμμή παροχής νερού εφάπτεται στην οριακή σύνθετη καμπύλη δημιουργεί ένα οριακό σημείο λειτουργίας (pinch point). Στο οριακό αυτό σημείο δεν σημαίνει ότι η διαφορά δυναμικού μεταφοράς μάζας από την α ύλη στο νερό μηδενίζεται. Απλώς σ αυτό το σημείο η διαφορά δυναμικού γίνεται η ελαχίστη δυνατή. Στο παράδειγμα όπως φαίνεται στο διάγραμμα (γ) του σχήματος 7, η ελαχίστη παροχή νερού είναι 90 m 3 /h και όχι m 3 /h και επομένως μπορεί να επιτευχθεί 20% εξοικονόμηση νερού εφαρμόζοντας κατάλληλο σχεδιασμό χρήσης του νερού. 20

22 Σχήμα 5: Οι παροχές νερού στην υπάρχουσα παραγωγική διαδικασία. Χρησιμοποιώντας φρέσκο νερό για κάθε διεργασία τότε η συνολική παροχή του νερού ανέρχεται σε m 3 /h 21

23 Σχήμα 6: Τα οριακά προφίλ νερού της κάθε διεργασίας του παραδείγματος 1 όπως προκύπτουν από τα δεδομένα του πίνακα 1 καθώς επίσης και οι γραμμές λειτουργίας του νερού χρησιμοποιώντας καθαρό νερό για κάθε διεργασία ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΔΙΚΤΥΟΥ ΔΙΑΝΟΜΗΣ ΝΕΡΟΥ ΜΕ ΣΚΟΠΟ ΤΗΝ ΕΛΑΧΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΑΠΟΒΛΗΤΩΝ ΩΣ ΠΡΟΣ ΕΝΑΝ ΡΥΠΑΝΤΗ Ε χοντας προσδιορίσει τον στόχο δηλαδή την ελάχιστη παροχή νερού τώρα πρέπει να βρούμε τον τρόπο σχεδιασμού του δικτύου διανομής του νερού στις διάφορες διεργασίες ώστε να επιτευχθεί ο στόχος. Ο σχεδιασμός του δικτύου μπορεί να επιτευχθεί με δύο διαφορετικές προσεγγίσεις: την μέθοδο της μεγιστοποίησης της διαφοράς των συγκεντρώσεων και τη μέθοδο της ελαχιστοποίησης των πηγών νερού. 22

24 (α) Οριακά προφίλ νερού των διεργασιών σε αθροιστική κατάταξη (β) κατασκευή της οριακής σύνθετης καμπύλης νερού της όλης παραγωγικής διαδικασίας Σχήμα 7: Κατασκευή της οριακής σύνθετης καμπύλης νερού του παραδείγματος 1 από την οποία κατόπιν υπολογίζεται η ελαχίστη δυνατή παροχή νερού (γ) Κατασκευάζοντας την εφαπτόμενη γραμμή λειτουργίας του νερού προσδιορίζουμε την ελάχιστη δυνατή παροχή νερού 23

25 Μέθοδος 1: μεγιστοποίηση διαφοράς συγκεντρώσεων (maximum driving forces) Σχήμα 8: Ο σχεδιασμός των ρευμάτων νερού για τις διάφορες διεργασίες σύμφωνα με τη μέθοδο της μεγιστοποίησης της διαφοράς των συγκεντρώσεων Η πρώτη μέθοδος βασίζεται στο διαχωρισμό των ρευμάτων νερού με τέτοιο τρόπο ώστε η διαφορά συγκεντρώσεων μεταξύ της γραμμής τροφοδοσίας νερού και της οριακής σύνθετης καμπύλης νερού να είναι μέγιστη έτσι ώστε και η μεταφορά μάζας να είναι μέγιστη. Η στρατηγική που ακολουθείται είναι να διαιρείται ο χώρος του διαγράμματος μαζικής παροχής - συγκέντρωσης σε διαμερίσματα με κάθετες γραμμές που ορίζονται από τις κορυφές της οριακής σύνθετης καμπύλης νερού. Ετσι χρησιμοποιώντας το διάγραμμα του σχήματος 7(γ) του παραδείγματος 1 και ακολουθώντας τη παραπάνω 24

26 στρατηγική κατασκευάζουμε τέσσερα διαμερίσματα για το συγκεκριμένο παράδειγμα όπως παρουσιάζονται στο σχήμα 8. Οπουδήποτε υπάρχει αλλαγή στην κλίση της καμπύλης της οριακής σύνθετης καμπύλης οριοθετείται και μία περιοχή μαζικής παροχής. Για τον σχεδιασμό του δικτύου διανομής του νερού θα χρησιμοποιηθεί η μέθοδος του πλεγματικού διαγράμματος που παρουσιάζεται στο σχήμα 8. Η μέθοδος αυτή για πρώτη φορά παρουσιάστηκε από τους Linhoff και Flower το Όπως φαίνεται στο διάγραμμα του σχήματος 8, ξεκινάμε με καθαρό νερό στο διάστημα 1. Στο διάστημα αυτό υπάρχει μόνο η διεργασία 1 και επομένως μόνο αυτή χρησιμοποιεί όλη την παροχή του νερού (90 m 3 /h) και έτσι η συγκέντρωση του ρυπαντή Α, στο τέλος του διαστήματος 1 ανέρχεται σε 11.1 mg/l. Στο διάστημα 2 συνυπάρχουν οι διεργασίες 1, 2 και 3 και επομένως η παροχή του νερού διαιρείται σε τρεις ξεχωριστές παράλληλες παροχές που η κάθε μία θα πρέπει να είναι ανάλογη των οριακών παροχών που έχουν καθοριστεί από τον πίνακα 1. Επομένως η παροχή των 90 m 3 /h διαιρείται σε μία παροχή των m 3 /h που διέρχεται από την διεργασία 1, σε μία άλλη παροχή των m 3 /h που διέρχεται από την διεργασία 2 και τέλος σε μία παροχή των 22.5 m 3 /h που διέρχεται από την διεργασία 3 όπως διαγραμματικά φαίνεται στο σχήμα 8. Η συγκέντρωση του ρυπαντή Α στην έξοδο και των τριών γραμμών του διαστήματος 2 φθάνει υποχρεωτικά στα 100 mg/l διότι το όριο του 2 ου διαστήματος συμπίπτει με το οριακό σημείο λειτουργίας όλης τη παραγωγικής διεργασίας. Στο διάστημα 3 υπάρχει μόνο η διεργασία 3 και επομένως όλες οι παροχές συνενώνονται σε μία και η οποία διερχόμενη από τη διεργασία 3 εξέρχεται με συγκέντρωση του ρυπαντή Α στα 233 mg/l όπως αναλογικά υπολογίζεται από τον πίνακα 1. Τέλος στο διάστημα 4 συνυπάρχουν δύο διεργασίες, η διεργασία 3 και η διεργασία 4 και επομένως και πάλι η παροχή πρέπει να διαιρεθεί σε δύο παροχές αναλογικά όπως ορίζεται από τις οριακές παροχές του πίνακα 1. Ετσι μία παροχή των 72 m 3 /h διέρχεται από τη διεργασία 3 και μία άλλη των 18 m 3 /h διέρχεται από την διεργασία 4. Η τελική συγκέντρωση του εξερχόμενου υγρού αποβλήτου ανέρχεται σε 455 mg/l και έτσι επιτυγχάνεται η επιθυμητή παροχή μεταφοράς μάζας των 41 kg/h από την πρώτη ύλη στα υγρά απόβλητα. Ο τελικός σχεδιασμός για το παράδειγμα 1 με τη μέθοδο της μεγίστης διαφοράς συγκεντρώσεων φαίνεται στο διάγραμμα του σχήματος 9. Η διαδικασία διαίρεσης, σε κάθε βρόγχο της συνολικής παροχής σε παροχές ανάλογες των οριακών παροχών των διεργασιών επιτρέπει την γενίκευση της επίλυσης πολύπλοκων προβλημάτων σχεδιασμού διαχείρισης των αποβλήτων. 25

27 Σχήμα 9: Σχεδιασμός για το παράδειγμα 1 με τη μέθοδο της μεγίστης διαφοράς συγκεντρώσεων. Αν και ο παραπάνω σχεδιασμός οδηγεί στο επιθυμητό αποτέλεσμα που είναι η ελαχιστοποίηση της παροχής του νερού, εντούτοις πολλές φορές δημιουργεί ανεπιθύμητη πολυπλοκότητα. Οι Linnhoff και Hindmarsh το 1983 παρουσίασαν μία μέθοδο απλοποίησης διανομής ενεργειακών δικτύων. Τη μέθοδο αυτή την προσάρμοσαν οι Wang και Smith το 1994 για να απλοποιήσουν τα δίκτυα διανομής νερού σε συστήματα ελαχιστοποίησης των αποβλήτων. Η μέθοδος αυτή θα γίνει κατανοητή εφαρμόζοντάς την απ ευθείας στο παράδειγμα 1 όπως φαίνεται στα διαγράμματα του σχήματος 10. Κατ αρχήν ορίζουμε τα κλειστά κυκλώματα (loops) του σχεδιασμού που έχει προκύψει από το σχήμα 9. Ο αριθμός των δυνατών κυκλωμάτων μπορεί να προβλεφθεί από το θεώρημα του Euler. Στο συγκεκριμένο παράδειγμα τα κυκλώματα είναι τρία όπως φαίνεται στο σχήμα 10(α) και το ένα αφορά τη διεργασία 1 ενώ τα άλλα δύο αφορούν τη διεργασία 3. Το πρώτο κύκλωμα της διεργασίας 1 μπορούμε να το σπάσουμε «τραβώντας» το σημείο Β της μαζικής παροχής στο σημείο Α. Αυτό μπορεί μεταβάλλει τις συγκεντρώσεις του παρεχομένου νερού αλλά συνεχίζουμε να βρισκόμαστε εντός των επιτρεπτών ορίων της διαφοράς των συγκεντρώσεων. Ετσι όμως το δίκτυο διανομής νερού απλοποιείται χωρίς να μεταβάλλεται η συνολική παροχή του νερού. Με τον ίδιο τρόπο μπορούμε να σπάσουμε και το κύκλωμα 3 «τραβώντας» το σημείο Δ μαζικής παροχής στο σημείο Ε. Υπολογίζοντας και πάλι τις νέες συγκεντρώσεις στις παροχές του νερού διαπιστώνουμε ότι το βραχυκύκλωμα αυτό είναι μέσα στα επιτρεπτά όρια της διαφοράς των συγκεντρώσεων. Επίσης μπορούμε να σπάσουμε και το κύκλωμα 2 «τραβώντας» το σημείο Γ στο σημείο Ε. Όμως αν υπολογίσουμε τις νέες συγκεντρώσεις των παροχών θα διαπιστώσουμε ότι έχουμε ξεπεράσει τα επιτρεπτά όρια της διαφοράς των συγκεντρώσεων που ορίζονται από τον πίνακα 1. Για να μπορέσουμε να διατηρήσουμε τα επιτρεπτά όρια συγκεντρώσεων πρέπει να αυξήσουμε την παροχή του νερού και επομένως να ξεφύγουμε από τον επιδιωκόμενο σκοπό της ελαχιστοποίησης χρήσης του νερού. Πολλές φορές όμως προς χάριν της απλοποίησης αυτή η παρέκκλιση μπορεί να είναι αποδεκτή. Ετσι η τελική απλοποιημένη μορφή του σχεδιασμού φαίνεται στο σχήμα 10(β) καθώς επίσης και στο σχήμα

28 Γενικά, είναι δυνατόν να σπάσουμε εύκολα κλειστά κυκλώματα που είναι μακριά από το οριακό σημείο λειτουργίας (pinch point) όπου η διαφορά δυναμικού των συγκεντρώσεων είναι μεγάλη και επομένως η πιθανότητα εσφαλμένου βραχυκυκλώματος είναι μικρός κάτι που δεν συμβαίνει εύκολα γύρω από το οριακό σημείο. Στο σχήμα 11 βλέπουμε πως για να πετύχουμε τον στόχο μας που είναι η ελαχιστοποίηση της χρήσης του νερού πρέπει να μεγιστοποιήσουμε την επαναχρησιμοποίηση του με ένα προσεκτικό διάγραμμα σχεδιασμού. (α) Τα 3 loops του αρχικού σχεδιασμού (β) Ο απλοποιημένος σχεδιασμός με ένα loop Σχήμα 10: Απλοποίησης του σχεδιασμού ελαχιστοποίησης της παροχής νερού με «σπάσιμο» των κλειστών κυκλωμάτων Σχήμα 11: Συμβατικό διάγραμμα ροής του απλοποιημένου σχεδιασμού του παραδείγματος 1. 27

29 Μέθοδος 2: ελαχιστοποίηση αριθμού πηγών νερού (minimum number of water sources) Στο σχεδιασμό της μεθόδου 1 (σχήμα 11) διαπιστώνουμε πως η διεργασία 3 πρέπει να χρησιμοποιήσει κατάλληλο μηχανολογικό εξοπλισμό ώστε να μπορεί να δέχεται δύο πηγές νερού με διαφορετική συγκέντρωση του ρυπαντή Α στο τροφοδοτούμενο νερό. Αυτό συνήθως επιτυγχάνεται διαιρώντας τη διεργασία 3 σε δύο όμοιες διεργασίας οι οποίες χρησιμοποιούν διαφορετικό σχεδιασμό δυναμικότητας μηχανολογικού εξοπλισμού. Αυτό πολλές φορές δεν είναι δυνατόν ή δεν είναι επιθυμητό. Στη περίπτωση αυτή πρέπει να ακολουθήσουμε ένα διαφορετικό σχεδιασμό όπου θα προσπαθήσουμε να ελαττώσουμε τον αριθμό των διαφορετικών πηγών νερού για τη κάθε διεργασία. Η μέθοδος σχεδιασμού με σκοπό την ελαχιστοποίηση των διαφορετικών πηγών νερού για την κάθε διεργασία, που θα αναπτυχθεί παρακάτω, βασίζεται στη θεωρία που ανέπτυξε κατά πρώτον ο Wood τo 1985 και αφορούσε την ελαχιστοποίηση του αριθμού εναλλακτών θερμότητας σε ένα δεδομένο σύστημα μεταφοράς θερμότητας και την οποία θεωρία προσάρμοσαν στη περίπτωση της ελαχιστοποίησης των αποβλήτων οι Wang και Smith το (α) Οριακή σύνθετη καμπύλη (β) Πλέγμα σχεδιασμού Σχήμα 12: Σχεδιασμός για την ελαχιστοποίηση των πηγών χρήσης του νερού για την κάθε διεργασία του παραδείγματος 1. 28

30 Η μέθοδος αυτή εφαρμοζόμενη στο παράδειγμα 1 φαίνεται παραστατικά στο διάγραμμα του σχήματος 12. Στη περίπτωση αυτή τα διαστήματα χωρίζονται μεταξύ τους οριζόντια σύμφωνα με τις συγκεντρώσεις και όχι σύμφωνα με τις μαζικές παροχές της μεθόδου 1. Τα διαστήματα του χώρου στο διάγραμμα συγκεντρώσεων-μαζικών παροχών ορίζονται από διαχωριστικές οριζόντιες γραμμές που διέρχονται από τις κορυφές του πολυγώνου της οριακής καμπύλης χρήσης νερού. Έτσι για το παράδειγμα 1 και πάλι ορίζονται τέσσερις περιοχές όπως φαίνονται στο σχήμα 12. Και πάλι ξεκινάμε με 90 m 3 /h καθαρό νερό. Στο διάστημα 1 υπάρχει μόνο η διεργασία 1. Τώρα όμως δεν χρησιμοποιούμε όλη την παροχή αλλά μόνο όσο χρειάζεται η διεργασία 1 για να μπορεί να λειτουργεί ικανοποιητικά δηλαδή στην έξοδο η συγκέντρωση του ρυπαντή Α να είναι 50 mg/l και το υπόλοιπο καθαρό νερό το παρακάμπτουμε στο επόμενο διάστημα. Ετσι οι παροχές του νερού διαμορφώνονται στο πρώτο διάστημα 20 m 3 /h και 70 m 3 /h. στο διάστημα 2 υπάρχουν τρεις διεργασίες οι 1,2 και 3. Η παροχή των 20 m 3 /h της διεργασίας 1 συνεχίζει να τροφοδοτεί την διεργασία 1 εφόσον αυτή βρίσκεται στα επιτρεπτά όρια λειτουργίας της. Η παροχή των 70 m 3 /h διαχωρίζεται σε δύο παροχές: 50 m 3 /h που διέρχεται από τη διεργασία 2 και 20 m 3 /h (η υπόλοιπη) που διέρχεται από τη διεργασία 3. Η έξοδος του νερού από τις τρεις διεργασίες στο δεύτερο διάστηαμ είναι 100 mg/l. Στο τρίτο διάστημα υπάρχει μόνο η 3 η διεργασία και η οποία μπορεί να λειτουργεί με εισαγωγή νερού που περιέχει τον ρυπαντή Α σε συγκέντρωση 100 mg/l. Ετσι οι δύο παροχές των 20 m 3 /h ενώνονται και διέρχονται από την διεργασία 3 ικανοποιώντας τις απαιτήσεις της ενώ η παροχή των 50 m 3 /h που εξέρχεται από τη διεργασία 2 παρακάμπτει το διάστημα 3 και εισέρχεται στο διάστημα 4. Το διάστημα 4 περιλαμβάνει δύο διεργασίες τη 3 και την 4. Η διεργασία, όπως προκύπτει από τον πίνακα 1, απαιτεί 5.8 m 3 /h συγκέντρωσης 100 mg A/l για να λειτουργεί ικανοποιητικά, επομένως 5.8 m 3 /h της παροχής που εξέρχεται από τη διεργασία 2 περνούν από τη διεργασία 4 και τα υπόλοιπα 44.2 m 3 /h (100 mg A/l) την παρακάμπτουν και εξέρχονται από την όλη παραγωγική διαδικασία σαν απόβλητο. Το απόβλητο που εξέρχεται από την διεργασία 4 περιέχει τον ρυπαντή Α σε συγκέντρωση 800 mg/l και ροή αυτή ενώνεται με τα τελικά απόβλητα. Η παροχή των 40 m 3 /h της διεργασίας 3 στο διάστημα 3 επαναχρησιμοποιείται στην διεργασία 3 και το εξερχόμενο απόβλητο περιέχει τον ρυπαντή Α σε συγκέντρωση 800 mg/l. Το τελικό απόβλητο περιέχει τον ρυπαντή Α σε συγκέντρωση 456 mg/l. Στο σχήμα 13 παρουσιάζεται το συμβατικό διάγραμμα ροής του σχεδιασμού με τις επι μέρους παροχές και συγκεντρώσεις. 29

31 Σχήμα 13: Συμβατικό διάγραμμα ροής της χρήσης του νερού στο παράδειγμα 1 με τη μέθοδο 2. Με τον ίδιο τρόπο που περιγράφηκε στη μέθοδο 1 μπορεί να γίνει απλοποίηση του σχεδιασμού βραχυκυκλώνοντας τα πιθανά κυκλώματα. Στο σχεδιασμό του σχήματος 12 σχηματίζονται και πάλι τρία κυκλώματα (loops) όπως φαίνεται στο σχήμα 14(α). Το κύκλωμα 1 μπορεί να καταργηθεί «σύροντας» το σημείο Β στο Α. Ο έλεγχος της δυνατότητας αυτής γίνεται πλέον όχι με τις συγκεντρώσεις αλλά με τη μαζική παροχή που μας επιτρέπει ο πίνακας 1 μέσα στα πλαίσια των συγκεντρώσεων που καθορίζουν τα όρια των διαστημάτων. Τα κυκλώματα 2 και 3 μπορούν να βραχυκυκλωθούν «σύροντας» τα σημεία Γ και Ζ του σχήματος 14(β) στο σημείο Ε. Ο έλεγχος της δυνατότητας κατάργησης των τριών κυκλωμάτων είναι θετικός και έτσι μπορούμε πλέον να κατασκευάσουμε το απλοποιημένο διάγραμμα ροής του σχήματος 14(γ). Συγκρίνοντας το τελικό απλοποιημένο διάγραμμα ροής της μεθόδου 1 (σχήμα 11) με αυτό της μεθόδου 2 (σχήμα 14(γ)) διαπιστώνουμε ότι η μέθοδος των ελαχίστων πηγών νερού δίδει αποτελεσματικότερο σχεδιασμό ως προς την απαίτηση μετατροπής της λειτουργίας των επί μέρους διεργασιών. Γενικά τα loops μπορούν ευκολότερα να «σπάσουν» επιτυχώς 30

32 (α) Τα 3 loops του αρχικού σχεδιασμού (β) απλοποίηση με «σπάσιμο» των loops Σχήμα 14: Απλοποίηση του σχεδιασμού της μεθόδου 2 για το παράδειγμα 1 (γ) απλοποιημένο τελικό διάγραμμα ροής χρήσης του ελαχιστοποιημένου νερού 31

33 στη μέθοδο 2 απ ότι στη μέθοδο 1 που αποδεικνύει ότι το κρίσιμο σημείο λειτουργίας (pinch point) είναι πιο ευαίσθητο στο σχεδιασμό ως προς τις μαζικές παροχές απ ότι ως προς τις οριακές συγκεντρώσεις ΕΛΑΧΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΑΠΟΒΛΗΤΩΝ ΩΣ ΠΡΟΣ ΔΥΟ ΡΥΠΑΝΤΕΣ Σ το προηγούμενο κεφάλαιο μελετήσαμε μία μεθοδολογία με την οποία μπορούσαμε να σχεδιάσουμε τη χρήση του νερού σε μία παραγωγική διαδικασία ώστε να ελαχιστοποιήσουμε τη παραγόμενη ποσότητα αποβλήτων λαμβάνοντας υπ όψη μας να διατηρήσουμε σταθερό τον συνολικό ρυθμό μεταφοράς μάζας, ενός μόνον συστατικού, από τη α ύλη στο χρησιμοποιούμενο νερό. Συνήθως όμως σε όλες σχεδόν τις διαδικασίες παραγωγής, όπου το νερό χρησιμοποιείται για την επεξεργασία της α ύλης, μας ενδιαφέρει η απομάκρυνση πολλών ανεπιθύμητων συστατικών (ρυπαντών) από την α ύλη στο νερό. Αν ένα συστατικό αποτελεί το «συστατικό κλειδί», δηλαδή η απομάκρυνσή του από την α ύλη έχει πρώτιστη σημασία για την τελική ποιότητα του προϊόντος ή η απομάκρυνσή του εγγυάται και την απομάκρυνση και των άλλων ανεπιθύμητων συστατικών, τότε το πρόβλημα υποβιβάζεται στη περίπτωση της ελαχιστοποίησης της παραγωγής αποβλήτων με βάση τον έναν ρυπαντή που έχει μελετηθεί στο προηγούμενο κεφάλαιο. Στη περίπτωση αυτή, σχεδιάζεται η παραγωγική διαδικασία ως προς το «συστατικό κλειδί» και κατόπιν απλώς υπολογίζεται η απομάκρυνση και των άλλων συστατικών με μεθοδολογίες προσομοίωσης. Στη περίπτωση όμως που ο ρυθμός μεταφοράς μάζας ενός συστατικού είναι ανεξάρτητος από τον ρυθμό των άλλων συστατικών (συνηθισμένο γεγονός σε αραιά διαλύματα) και μας ενδιαφέρει να διατηρήσουμε σταθερό τον συνολικό ρυθμό μεταφοράς μάζας, από την α ύλη στο νερό, περισσοτέρων του ενός συστατικών, τότε απαιτούνται μερικές μετατροπές στη μεθοδολογία σχεδιασμού του προηγούμενου κεφαλαίου. Θα προσεγγίσουμε τον σχεδιασμό ελαχιστοποίησης των αποβλήτων μιας διεργασίας απομάκρυνσης πολλών συστατικών χρησιμοποιώντας δύο παραδείγματα για δύο συστατικά και γενικεύοντας κατόπιν τη διαδικασία σχεδιασμού για πολλά συστατικά. Παράδειγμα 2. Θεωρήστε τα δεδομένα του πίνακα 2 μιας διεργασίας. Και πάλι δίνουμε έμφαση στο γεγονός ότι τα δεδομένα του πίνακα 2 είναι (και πρέπει να είναι) οριακά. Στο παράδειγμα αυτό επιδιώκεται η απομάκρυνση δύο συστατικών του συστατικού Α και του συστατικού Β. Σχεδιάζοντας την παραγωγική διαδικασία με βάση την ελαχιστοποίηση του νερού χρησιμοποιώντας το συστατικό Α σαν «συστατικό κλειδί» τότε υπολογίζουμε την ελαχίστη απαιτούμενη παροχή νερού σε 47 m 3 /h (σχήμα 15). Ενώ χρησιμοποιώντας σαν «συστατικό κλειδί» το συστατικό Β και ακολουθώντας τη μεθοδολογία ελαχιστοποίησης ως προς ένα συστατικό που αναπτύχθηκε στο προηγούμενο 32

34 κεφάλαιο, υπολογίζουμε μία παροχή νερού 47.5 m 3 /h (σχήμα 16). Κάποιος θα μπορούσε να σκεφτεί ότι η λύση του προβλήματος θα ήταν να χρησιμοποιηθεί η χειρότερη περίπτωση παροχής η οποία θα μπορούσε να ικανοποιήσει και τις δύο μαζικές μεταφορές των συστατικών Α και Β. Η πραγματικότητα είναι πως καμία από τις δύο παροχές δεν είναι ικανοποιητική και πρέπει να ακολουθήσουμε διαφορετική προσέγγιση για να λύσουμε το πρόβλημα. ΠΙΝΑΚΑΣ 2: Δεδομένα οριακής χρήσης νερού των διεργασιών του παραδείγματος 2. Αριθμός διεργασί ας Συστατικ ό Ρυθμός μεταφοράς μάζας του ρυπαντή m (kg/h) Συγκέντρωσ η ρυπαντή στο νερό εισαγωγής CIN (ppm) Συγκέντρωσ η ρυπαντή στο νερό εξαγωγής COUT (ppm) Α Παροχή νερού m 3 /h 1 Β Α Β Στο σχήμα 17 φαίνεται παραστατικά η όλη μεθοδολογία την οποία πρέπει να ακολουθήσουμε. Τοποθετούμε σε διάγραμμα συγκέντρωσης/μαζικής παροχής (C/m) τις δύο διεργασίες ως προς το συστατικό Α (σχήμα 17(α)). Πριν προχωρήσουμε στη κατασκευή της σύνθετης οριακής καμπύλης ελέγχουμε τις συγκεντρώσεις του συστατικού Β. Για να υπολογίσουμε τις συγκεντρώσεις του συστατικού Β κάνουμε μία βασική υπόθεση ότι όταν ένα ποσοστό του συστατικού Α μεταφέρεται στο νερό με μία διεργασία τότε το ίδιο ποσοστό του συστατικού Β μεταφέρεται επίσης στο νερό στην ίδια διεργασία. Η υπόθεση αυτή δεν αποτελεί και προϋπόθεση ή περιορισμό στην βασική μεθοδολογία προσέγγισης του προβλήματος που θα επιχειρηθεί παρακάτω. Θα μπορούσε να ακολουθηθεί οποιαδήποτε συναρτησιακή σχέση μεταφοράς μάζας μεταξύ των συστατικών Α και Β η οποία θα είχε προσδιοριστεί είτε θεωρητικά είτε πειραματικά. Επίσης θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν διαφορετικές συσχετίσεις για διαφορετικές διεργασίες. Απλώς η υπόθεση της αναλογικής συσχέτισης είναι η πλέον συνηθισμένη περίπτωση στη πράξη και επί πλέον διευκολύνει προς το παρόν στην εύκολη κατανόηση της ακολουθούμενης μεθοδολογίας στο συγκεκριμένο παράδειγμα. 33

35 Σχήμα 15: Υπολογισμός ελάχιστης παροχής νερού ως προς το συστατικό Α του παραδείγματος 2 Σχήμα 16: Υπολογισμός ελάχιστης παροχής νερού ως προς το συστατικό Β του παραδείγματος 2 Ετσι υπολογίζουμε ότι η συγκέντρωση του συστατικού Β στη διεργασία 1 (C1B) είναι 40 mg/l όταν η συγκέντρωση του συστατικού Α (C1A) είναι 80 mg/l. Επίσης για C1A=100 mg/l τότε C1Β=50 mg/l, για C2A=80 mg/l τότε C2Β=30 mg/l και για C2A=100 mg/l τότε C1Β=37.5 mg/l (σχήμα 17(α)). Παρατηρούμε όμως πως για C1A=80 mg/l η συγκέντρωση του συστατικού Β για μεν τη διεργασία 1 είναι C1Β=40 mg/l για δε τη διεργασία 2 είναι μικρότερη (C2Β=30 mg/l). Για να μπορεί να επαναχρησιμοποιηθεί το νερό από τη διεργασία 1 στη διεργασία 2 πρέπει για τις συγκεντρώσεις του 34

36 συστατικού Β στο σημείο έναρξης της διεργασίας 2 να ισχύει η σχέση C2Β C1Β δηλαδή ο άξονας των συγκεντρώσεων να είναι κοινός τόσο για το συστατικό Α όσο και για το συστατικό Β. Για να το πετύχουμε αυτό επιχειρούμε μία εσωτερική μετατόπιση των συγκεντρώσεων της διεργασίας 2 έτσι ώστε να μπορούν ακριβώς να συμπέσουν οι δύο συγκεντρώσεις του συστατικού Β τόσο στη διεργασία Α όσο και στην έναρξη της διεργασίας Β. Αυτή η παράλληλη μετατόπιση της διεργασίας 2 φαίνεται στο σχήμα 17(β). Ετσι πλέον η διεργασία 2 μπορεί να χρησιμοποιήσει και νερό με συγκέντρωση C1Α=60 mg/l. Αυτή η προσέγγιση όμως δεν αρκεί διότι ναι μεν όταν C1Α=60 mg/l τότε C1Β=30 mg/l και C2Β=30 mg/l και επομένως μπορεί το νερό της διεργασίας 1 να χρησιμοποιηθεί στη διεργασία 2 αλλά αυτό ισχύει μόνο για το σημείο αυτό (C1Α=60 mg/l, ma=2.4 kg/h) διότι μόλις αυξηθεί η συγκέντρωση του συστατικού Α πάνω από C1Α=60 mg/l τότε αυξάνεται δυσανάλογα η συγκέντρωση του συστατικού Β και επομένως και πάλι δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί το νερό της διεργασίας 1 στη διεργασία 2. Ετσι μένει ανεκμετάλλευτο για επαναχρησιμοποίηση του νερού το τμήμα της διεργασίας 1 μεταξύ των συγκεντρώσεων 60 και 100 mg/l. Η οποιαδήποτε πλέον παράλληλη μετατόπιση της διεργασίας 2 ώστε να συμπέσουν οι μεταβολές των συγκεντρώσεων του συστατικού Β με αυτές του συστατικού Α είναι ανεπιτυχής. Π.χ. αν γίνει μία περαιτέρω εσωτερική μετατόπιση της διεργασίας 2 ώστε να αρχίζει από C2Α=40 mg/l τότε ναι μεν για C1Α=100 mg/l τότε C1Β=50 mg/l και C2Β=50 mg/l αλλά για C2Α=40 mg/l τότε C1Β=23 mg/l και C2Β=30 mg/l (σχήμα 17(γ)). Αυτό σημαίνει ότι μένει ανεκμετάλλευτη μία διαφορά δυναμικού συγκεντρώσεων του συστατικού Β στην έναρξη της διεργασίας 2. 35