Разработка ресурсо - и энергосберегающих технологий и аппаратурное оформление процессов, сопровождающихся выделением газовой фазы (стр. 3 )

(75)

и уравнение изотермы адсорбции, которое для линейной области, а рабочая концентрация компонента-загрязнителя при отделке соответствует именно этой области изотермы адсорбции, приблизительно отвечает закону Генри:

(76)

Граничные условия для представленной системы уравнений запишутся в следующем виде:

	(77)
	(78)

Уравнение массопроводности в неподвижной среде, определяющее распределение концентрации в любой точке частицы, имеет вид:

(79)

где коэффициент массопроводности находится по формуле:

	(80)
Начальные условия:	(81)
	(82)
Условие симметрии:	(83)

Разработанная на основе приведенных соотношений обобщенная математическая модель гипотетического технологического процесса, реализованная при разработке методик расчета реальных производственных процессов, показала перспективность использованного комплексного метода исследования. Полученные кинетические зависимости позволяют выбрать рациональные режимные параметры проведения отдельных стадий процессов, обеспечить их эффективную реализацию и определить конструктивные характеристики оборудования.

В третьей главе представлено описание экспериментальных установок и методик проведения исследований на них. В соответствие с назначением выделены следующие группы установок:

– установки для исследования и физического моделирования отдельных стадий технологических процессов, сопровождающихся выбросами;

– установки для определения недостающих характеристик и свойств материалов, участвующих в исследуемых технологических процессах;

– установки для подготовки образцов к физико-химическому анализу и анализа образцов экспресс методом.

Разработанные экспериментальные установки обладают новизной, многие из технических решений, положенных в основу конструкций лабораторных установок – защищены авторскими свидетельствами и патентами на изобретения. Некоторые из установок нашли применение не только в учебных лабораториях Казанского государственного технологического университета, но и в лабораториях отраслевых научно-исследовательских институтов и промышленных предприятий. Принципиальные схемы ряда установок послужили основой для разработки аппаратурного оформления реальных технологических процессов.

В четвертой главе приведены результаты экспериментальной проверки основных кинетических закономерностей, осуществлена проверка разработанных математических моделей на адекватность реальным процессам, проведено математическое моделирование с целью определения рациональных технологических режимов и конструктивных характеристик оборудования. Расхождение результатов экспериментальных исследований и расчетных значений, полученных по разработанным моделям в идентичных условиях, составляет 16–18% и лишь при моделировании процесса адсорбции достигает 24%.

Математическим моделированием процесса улавливания паров акролеина при безреактивном расщеплении жиров установлено, что, задаваясь скоростью разгрузки смеси, можно подобрать типовой конденсатор и наоборот. Так при скорости разгрузки 0,4 м3/с требуется площадь конденсации 9,4м2 (рис. 2а). Если необходимо получить конденсат отдельных фракций, можно подобрать ряд конденсаторов (рис. 2 б).

В соответствии с рационально выбранными температурными режимами в конденсаторах и рассчитанной производительностью системы удаления паров для получения конденсата акролеина и воды можно подобрать два конденсатора с различной площадью поверхности конденсации. Эти мероприятия позволят исключить дорогостоящую операцию разделения смеси акролеин-вода и использовать акролеин для реакций органического синтеза.

Математическое моделирование позволило выявить влияние теплофизических свойств улавливаемой жидкости на величину площади поверхности конденсации.

В процессе разложения соапстока серной кислотой организован прямоточный процесс конденсации, поэтому движущая сила процесса изменяется по длине конденсатора и наибольшее значение имеет на начальном участке.

Причем с увеличением температуры в реакторе средняя движущая сила процесса возрастает (рис.3). Поэтому процесс варки желательно вести при максимальной температуре.

Увеличение средней движущей силы процесса конденсации с увеличением температуры в реакторе ведет к росту производительности конденсатора (рис. 4).

Результаты промышленных испытаний показали возможность интенсификации процесса разложения соапсточного мыла за счет изменения температуры варки соапсточного мыла. На рис. 5 представлена экспериментальная зависимость продолжительности разложения соапсточного мыла от температуры процесса разложения. Обработкой экспериментальных данных получено соотношение

,

(84)

позволяющее рассчитать время разложения соапсточного мыла в зависимости от температуры в реакторе.

В процессе химического полирования металлических деталей четко прослеживаются два периода (рис. 6).

В первом периоде концентрации газов и паров в камере растут, поскольку идет процесс химической обработки.

Во втором периоде процесс химической обработки прекращается, при этом уменьшаются интенсивность испарения компонентов реакционной смеси и интенсивность газовыделения. Концентрации компонентов парогазовой смеси в камере химической обработки начинают убывать за счет работы системы улавливания вредных выбросов. Отличие установившихся значений концентраций в конце первого периода для различных компонентов обусловлено их различной температурой кипения и молярной массой.

Необходимо отметить также характер влияния производительности системы улавливания на кинетику процесса (рис.7). Когда производительность системы улавливания достаточно велика, кривые концентраций в первом периоде асимптотически приближаются к установившимся значениям.

Во втором периоде уменьшение производительности системы улавливания приводит к увеличению длительности процесса поглощения выбросов, остающихся после прекращения химической обработки изделий. При малой производительности системы улавливания давление и температура в камере быстро возрастают, увеличивая скорость химической реакции, что в свою очередь приводит к увеличению количества выделившегося тепла и, соответственно, ведет к увеличению давления и температуры в камере химической обработки. Таким образом, процесс приобретает автокаталитический характер.

Для получения данных о степени интенсификации процесса абсорбции при увеличении концентрации улавливаемых компонентов была построена экспериментальная зависимость производительности системы улавливания по окислам азота от их концентрации в камере. Поскольку непосредственно измерить производительность системы улавливания по данному компоненту сложно, был использован косвенный метод определения производительности

,

(85)

Полученная зависимость (рис. 8) показывает увеличение эффективности процесса абсорбции при повышении концентрации улавливаемых компонентов.

В случае адсорбции паров летучих растворителей из анализа изотермы адсорбции толуола при различных температурах (рис. 9), выявлена зависимость поглотительной способности адсорбента от концентрации загрязнителя в очищаемом воздухе. Кроме того, установлено, что диапазон рабочих концентраций паров растворителей в вентиляционном воздухе при отделке изделий соответствует линейному участку изотермы адсорбции.

Анализ кривых пространственно-временного распределения загрязнителя в потоке газа и в слое адсорбента (рис. 10) позволил сделать вывод о частичном использовании поглотительной способности адсорбента к моменту времени, соответствующему явлению «проскока»t7, то есть к моменту времени перевода работы адсорбера в режим десорбции. Поделив слой адсорбента на зоны (рис. 11), был определен коэффициент неиспользованной поглотительной способности адсорбента Ку каждой из зон (табл.1). Обеспечить более полное насыщение всей массы адсорбента можно путем удаления адсорбента из зоны 1, последовательного перемещения поглотителя каждой из зон в среду с более высокой концентрацией и помещения на освободившееся место регенерированного адсорбента. Используя данный подход можно увеличить эффективность использования поглотителя более чем на 50%.

Таблица 1

Величины неиспользованной поглотительной способности адсорбента Ку

№ зоны	Высота слоя адсорбента, м	Поглотительная способность адсорбента, кг/кг	Относительная поглотительная способность адсорбента,	Коэффициент неиспользованной поглотительной способности адсорбента,
1	0,25	0,2070	0,95	5
2	0,50	0,1440	0,66	34
3	0,75	0,0545	0,25	75
4	1,00	0,0085	0,04	96

При исследовании термической переработки древесных отходов выявлен характер влияния начальной влажности древесных частиц на продолжительность процесса сжигания в целом (рис. 12). Начальная влажность древесных частиц оказывает существенное влияние на продолжительность стадии горения и термического разложения древесины, практически не оказывая влияния на длительность стадии выгорания коксового остатка. Кроме того, с увеличением влажности древесных частиц наблюдается снижение температурного уровня процесса и образование большего количества токсичных соединений в дымовых газах.

В ходе исследований подтверждена целесообразность использования сушильного бункера для предварительной сушки древесных отходов отходящими дымовыми газами.

В пятой главе приводятся технологические схемы и описание конструкций оборудования для эффективной реализации исследуемых технологических процессов, разработанных в соответствии с рекомендациями, полученными в результате математического моделирования. Все представленные схемы технологических процессов, традиционно сопровождающихся образованием токсичных веществ, снабжены эффективной системой газоочистки и реализуются в условиях максимально возможной герметизации оборудования. Выявленные в процессе моделирования закономерности позволили снизить уровень загрязнений в воздухе помещений и в вентиляционных выбросах до концентраций, значительно меньших установленных норм, а также обеспечить более эффективное использование сырьевых и энергетических ресурсов.

В шестой главе представлены результаты промышленного внедрения разработанных методов расчета, усовершенствованных схем реализации технологических процессов и их аппаратурного оформления. Учитывая сложность технологических процессов и значительные габаритные размеры технологического оборудования, результаты расчета апробировались на пилотных установках в промышленных условиях.

Результаты апробации, схемы пилотных установок и приемочные испытания внедряемого оборудования также представлены в этой главе. Экономическая эффективность внедрения усовершенствованных и новых промышленных установок сведены в таблицу (табл. 2).

Таблица 2

Сводная таблица результатов внедрения

№ п/п	Объект внедрения	Место внедрения	Год внедрения	Экономический эффект (тыс. руб.)
1	2	3	4	5
1.	Установки досушки дисперсных, волокнистых, губчатых материалов, растворов и лаков	РТИ, г. Калининск; МПЗ, г. Муром; РХК, г. Рошаль; КХЗ, г. Краснозаводск; КВВЗ, г. Калязин; КВВК, г. Казань; ПО им. Чапаева, г. Чебоксары.		3989,0
1	2	3	4	5
2.	Установка для концентрирования водной пульпы крошки каучука	АО «Нижнекамскнефтехим», г. Нижнекамск	1999	9149,4
3.	Оборудование для химической обработки металлических изделий	МПЗ, г. Муром; КМИЗ, г. Казань.		655.4
4.	Установка для извлечения жирных кислот из соапстока	, г. Казань.	2001	415,9
5.	Установка безреактивного расщепления жиров	, г. Казань.	2001	359,3
6.	Окрасочная камера	, г. Казань.	2001	424,7
7.	Адсорбционная установка рекуперации растворителей	, г. Нижнекамск.	2003	630,0
8.	Установка для термической переработки отходов	, г. Казань.	2004	325,0
Итого: 15948,7

Необходимо отметить, что реализация мероприятий, направленных на охрану окружающей среды, кроме экономического, дает еще значительный социальный эффект, заключающийся в улучшении условий труда обслуживающего персонала, в улучшении состояния здоровья населения и окружающей среды в целом. Что касается экономических результатов природоохранных мероприятий, то в настоящее время возможна лишь неполная их оценка, равная финансовым потерям выбрасываемых веществ.