На правах рукописи

БАШКИРОВ ВЛАДИМИР НИКОЛАЕВИЧ

РАЗРАБОТКА РЕСУРСО - И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЙ И АППАРАТУРНОЕ ОФОРМЛЕНИЕ ПРОЦЕССОВ, СОПРОВОЖДАЮЩИХСЯ ВЫДЕЛЕНИЕМ ГАЗОВОЙ ФАЗЫ

05.17.08 – Процессы и аппараты химических технологий

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Иваново 2006

Работа выполнена в Казанском государственном технологическом университете на кафедре «Переработка древесных материалов»

Научный консультант

- доктор технических наук, профессор,

Официальные оппоненты

- доктор технических наук, профессор

Ведущая организация

- Государственный научно - исследовательский институт химических продуктов (г. Казань).

Защита диссертации состоится 2006 года в часов на заседании диссертационного совета Д 212.063.05 при Ивановском государственном химико-технологическом университете по адресу: 153000 г. Иваново, , ауд. Г-205.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ивановского государственного химико-технологического университета.

Автореферат разослан 2006 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Возрастающие масштабы производственной деятельности человека и связанный с ней катастрофический уровень техногенного воздействия на окружающую среду привели к тому, что охрана окружающей среды в последние годы стала одной из важнейших проблем человечества. Одной из основных причин резкого ухудшения состояния окружающей среды является то, что рост промышленности сопровождается образованием значительного количества отходов.

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

Наиболее остро эта проблема стоит в вопросах защиты атмосферного воздуха, так как объемы газовых выбросов промышленных предприятий составляют сотни тысяч кубических метров в час. Например, в производстве глицерина на стадии отстаивания образуется большое количество водяных паров с высоким содержанием акролеина, извлечение жирных кислот из соапстока сопровождается выделением в атмосферу большого количества паров серной кислоты, процессы химической обработки металлических изделий сопровождаются образованием окислов азота и паров кислот, большое количество токсичных веществ образуется при термической переработке отходов и во многих других процессах различных отраслей промышленности.

Применение безотходных технологий решает эту задачу, но на современном этапе человечество не имеет ресурсов для закрытия существующих производств и перехода только на безотходные технологии. Поэтому в настоящее время наиболее распространенным методом решения проблемы защиты окружающей среды остается присоединение к существующему технологическому процессу оборудования для улавливания и переработки газообразных, жидких и твердых отходов.

Усилия многих ведущих ученых страны направлены на совершенствование газоочистного оборудования и интенсификацию процесса массообмена за счет увеличения поверхности контакта фаз и использования активных гидродинамических режимов. Такой подход приводит к увеличению габаритов очистных установок и повышенным энергозатратам, но не решает проблему сокращения общего количества образующихся вредных веществ.

Более эффективным является комплексное совершенствование самих технологических процессов с целью сокращения образующихся отходов, но оно осложнено многообразием сопровождающих эти процессы явлений, огромным количеством участвующих в них продуктов, отсутствием обобщенных методов расчета и схем эффективной реализации производственных процессов.

Таким образом, разработка методов расчета технологических процессов, сопровождающихся образованием газовой фазы, создание методик расчета параметров реальных производственных процессов, совершенствование действующих и создание новых высокоэффективных ресурсо - и энергосберегающих технологий и их аппаратурного оформления является актуальной задачей, имеющей важное народнохозяйственное значение.

Работа выполнялась в соответствии с координационным планом НИР АН РФ по направлению «Теоретические основы химической технологии»; координационным планом НИР по процессам и аппаратам химических производств и кибернетике химико-технологических процессов; планом НИР МОП РФ; планами предприятий по разработке и внедрению безотходных и энергосберегающих технологий.

Цель работы состоит в разработке обобщенного математического описания технологических процессов, сопровождающихся образованием газовой фазы, позволяющего осуществлять усовершенствование существующих технологических схем и их аппаратурное оформление на основе рассчитанных режимных параметров и конструктивных характеристик.

В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:

– комплексное исследование следующих технологических процессов, сопровождающихся выбросами: безреактивного расщепления жиров в производстве глицерина, извлечения жирных кислот из соапстока при производстве мыла, химической обработки металлических изделий в гальваническом производстве, термической переработки древесных отходов, а также процессов улавливания паров летучих растворителей;

– разработка обобщенной математической модели технологических процессов, традиционно сопровождающихся выделением газовой фазы;

– разработка математических моделей и моделирование конкретных производственных процессов с целью выявления закономерностей повышения эффективности как работы систем очистки, так и – самих процессов;

– разработка экспериментальных установок для определения недостающих характеристик материалов и исследования явлений, протекающих при реализации исследуемых технологических процессов;

– разработка методик расчета рациональных режимных параметров и конструктивных характеристик оборудования для реализации производственных процессов различных отраслей промышленности;

– разработка усовершенствованных технологических схем производственных процессов и оборудования для их реализации;

– промышленная реализация результатов теоретических и экспериментальных исследований и конструкторских разработок.

Научная новизна. 1. Впервые разработано обобщенное математическое описание технологических процессов, традиционно сопровождающихся выделением газовой фазы, позволяющее учесть каждый из возможных механизмов образования выбросов.

2. Созданы методы расчета режимных параметров и оборудования для процессов безреактивного расщепления жиров в производстве глицерина, извлечения жирных кислот из соапстока при производстве мыла, химической обработки металлических изделий в гальваническом производстве, термической переработки древесных отходов, улавливания паров летучих растворителей.

3. Введено понятие коэффициента неиспользованной поглотительной способности адсорбента к моменту окончания стадии адсорбции; экспериментально определена величина этого коэффициента для системы толуол - активированный уголь марки АР-3.

4. Разработаны экспериментальные установки и методики исследований, позволившие не только определить недостающие для моделирования характеристики, но также использовать эти установки в учебном процессе для всестороннего изучения студентами процессов сушки, горения и подготовки образцов к исследованиям.

5. Разработаны рекомендации, направленные на сокращение и исключение газовых выбросов, а также – на интенсификацию явлений тепломассопереноса в технологических процессах разваривания соапсточного мыла и термической переработки древесных отходов.

6. Разработаны усовершенствованные ресурсо-и энергосберегающие схемы реализации перечисленных технологических процессов и высокоэффективные конструкции оборудования для их осуществления.

Практическая ценность. Комплексное исследование технологических процессов и разработанные методы расчета позволили:

– выявить кинетические закономерности производственных процессов безреактивного расщепления жиров, извлечения жирных кислот из соапстока, химической обработки металлических изделий, термической переработки древесных отходов, улавливания паров летучих растворителей;

– разработать рекомендации по интенсификации лимитирующих стадий исследуемых процессов;

– осуществить выбор рациональных режимных параметров и конструктивных характеристик оборудования;

–создать и реализовать усовершенствованные способы осуществления технологических процессов, а также высокоэффективное аппаратурное оформление этих процессов, направленные на экономию сырьевых, трудовых, энергетических ресурсов и сокращение газовых выбросов.

Реализация работы. Результаты проведенных исследований легли в основу методик расчета усовершенствованных технологических схем и конструкторских решений, были использованы при разработке конструкторской документации, паспортов оборудования и технологических инструкций.

Внедрение конструкторских разработок на Рошальском химкомбинате, , Казанском медико-инструментальном заводе, Казанском химическом комбинате им. Вахитова (), Муромском приборостроительном заводе, Казанском , Краснозаводском химическом комбинате осуществлено с общим экономическим эффектом свыше 12 млн. рублей.

Муромскому приборостроительному заводу, представлена конструкторская документация для изготовления промышленных установок, внедрение которых в производство позволило получить экономический эффект свыше 1800 тыс. рублей в год.

Казанскому химическому комбинату им. Вахитова () передана конструкторская документация по усовершенствованию технологических процессов с целью уменьшения парогазовых выбросов. Экономический эффект от внедрения этих усовершенствованных технологий составил 1300 тыс. рублей в год.

Ряду лабораторий, НИИ и заводов представлена документация на разработанные способы и конструкции установок для проведения экспресс-анализа с улучшением условий труда обслуживающего персонала.

Суммарный эффект от внедрения результатов исследований и разработок, оформленных соответствующими актами, составляет более 15 млн. рублей.

Основные положения, выносимые на защиту. Решение проблемы, состоящей в создании ресурсо - и энергосберегающих технологий и аппаратурное оформление производственных процессов, традиционно сопровождающихся газовыми выбросами, на основе режимных параметров и конструктивных характеристик, рассчитанных с использованием разработанного обобщенного математического описания, а именно:

– обобщенную математическую модель технологических процессов, сопровождающихся образованием газовой фазы;

– методы расчета производственных процессов: безреактивного расщепления жиров в производстве глицерина, извлечения жирных кислот из соапстока при производстве мыла, химической обработки металлических изделий, термической переработки древесных отходов, а также процессов улавливания паров летучих растворителей;

– конструкции экспериментальных установок и методики экспериментальных исследований;

– результаты моделирования и экспериментальных исследований лимитирующих стадий производственных процессов, сопровождающихся выбросами;

– усовершенствованные схемы перечисленных выше технологических процессов и конструкции установок для их реализации.

– результаты исследования эффективности выполненных разработок.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на:

– Международных конференциях: «Тепломассообмен и гидродинамика в турбулентных течениях» (Алушта, 1992); «Интенсификация процессов в химической и пищевой технологии» (Ташкент, 1993); «Экология химических производств» (Северодонецк, 1994); Молодых ученых по химии и химической технологии «МКХТ - 95» (Москва, 1995), – «ММХ - 10» (Тула, 1996); «Математические методы в технике и технологиях – ММТТ» (Великий Новгород, 1999), (Санкт-Петербург, 2000), (Смоленск, 2001), (Тамбов, 2002), (Ростов-на Дону, 2003), (Санкт-Петербург, 2003), (Кострома, 2004); «Методы кибернетики химико-технологических процессов» (Казань, 1999); «Актуальные проблемы лесного комплекса» (Брянск, 2001); «Энергоресурсосберегающие технологии и оборудование, экологически безопасные производства» (Иваново, 2004);

– II Международном симпозиуме «Строение, свойства и качество древесины 96» (Москва, 1996); VI Международном симпозиуме «Ресурсоэффективность и энергосбережение» (Казань, 2005);

– Всесоюзных конференциях: «Интенсификация тепломассообменных процессов» (Казань, 1987, 1989); «IV научно-техническая конференция памяти профессора » (Казань, 1987); «Современные машины и аппараты химических производств - Химтехника-88» (Чимкент, 1988);

– Всероссийских конференциях: «Физико-химические, медико-биологические и технологические основы создания химических товаров народного потребления» (Пермь, 1986); «Ресурсосберегающие технологии строительных материалов, изделий и конструкций» (Белгород, 1993); «Динамика процессов и аппаратов химической технологии» (Ярославль, 1994); «Лесной комплекс: проблемы и решения» (Красноярск, 1999, 2003); «Проблемы тепломассообмена и гидродинамики в энергомашиностроении» (Казань, 2000); «Актуальные проблемы развития лесного комплекса» (Вологда, 2004);

– Республиканских конференциях: «Разработка прогрессивных способов сушки различных материалов и изделий на основе достижений теории тепломассообмена» (Черкассы, 1987); «Проблемы эффективного использования электрической и тепловой энергии в машиностроении Узбекистана» (Ташкент, 1989); «Нефтехимия-94» (Нижнекамск, 1994); «Актуальные экологические проблемы Республики Татарстан» (Казань, 1995);

– Научно-технических конференциях Казанского технологического университета (Казань, ).

Результаты работы экспонировались на выставках НТТМ, выставке XII Всемирного фестиваля молодежи и студентов в Москве и во Всероссийском выставочном центре. Установка для пирогенетической переработки древесных отходов награждена дипломом и бронзовой медалью на Московском международном салоне инноваций и инвестиций (Москва, 2005).

Публикации. По результатам выполненных исследований автором опубликовано 74 печатных работы, получено 22 патента и авторских свидетельства на изобретения.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы, включающего 463 наименования, и приложений.

Общий объем диссертации составляет 544 страницы, в том числе 382 страницы основного текста. Работа содержит 143 рисунка и 28 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, цель и задачи исследований. Показана новизна и практическая ценность работы.

В первой главе произведена экологическая оценка техногенного воздействия на окружающую среду, аргументированно показано приоритетное направление мероприятий защиты атмосферного воздуха в вопросах охраны окружающей среды, дана характеристика технологических процессов, сопровождающихся выбросами в атмосферу, проведен анализ источников загрязнения атмосферы.

Выполнен анализ существующих способов и оборудования газоочистки, показаны достоинства и недостатки каждого из перечисленных методов очистки, а также указаны области их применения и границы использования.

Так как любой из объектов промышленного производства в своей эволюции проходит обязательные стадии: подготовка сырья, собственно производство, использование готовой продукции и переработка ее после окончания срока эксплуатации, и на каждой из этих стадий возможно образование большего или меньшего количества вредных выбросов, показана целесообразность комплексного подхода к вопросам охраны окружающей среды. Если основным направлением охраны окружающей среды традиционно является присоединение к существующему технологическому процессу одного из наиболее эффективных методов очистки, то сущность предложенного комплексного подхода заключается в детальном анализе всех стадий технологического процесса. Причем мероприятиям ликвидации выбросов отводится не второстепенная роль, а уделяется такое же внимание как основным стадиям производственного процесса.

Подпись: Отмечено также, что, несмотря на многочисленные исследования явлений тепломассопереноса, в том числе и в наиболее распространенных способах газоочистки, вопросы санитарной очистки отходящих газов мало изучены и требуют более глубоких исследований. Вместе с тем, имеется достаточно разработанная общая теория переноса энергии и вещества, которая может служить теоретической базой аналитических и экспериментальных исследований различных технологических процессов. В заключении главы сформулированы основные выводы и вытекающие из них задачи исследований.

Во второй главе рассмотрена физическая картина технологических процессов, сопровождающихся газообразованием, согласно которой любой из аппаратов или группа аппаратов могут быть представлены в виде камеры 1, расположенной в помещении цеха (рис.1), и снабженной патрубком для загрузки компонентов композиции 3, патрубком отвода из камеры образующейся парогазовоздушной смеси 4 и патрубком 2, диаметр которого принят из условия равенства сумме площадей всех неплотностей оборудования и технологических отверстий. Кроме того, камера сообщена с устройством отвода образующейся газовой смеси 5 и устройствами газоочистки: конденсатором 6, абсорбером 7 и адсорбером 8.

В результате загрузки композиции определенного состава за счет теплосодержания загружаемых компонентов и теплоты химической реакции в камере увеличивается температура жидкой смеси, и образуются потоки пара и газа. Снижение давления за счет непрерывного отвода образующейся парогазовой смеси приводит к образованию градиента парциального давления, являющегося движущей силой процесса испарения компонента. Испарение возвращает систему в состояние равновесия. При этом равновесное состояние системы будет характеризоваться новой совокупностью термодинамических параметров: температурой, давлением и составом жидкой композиции. Движение потоков пара и газа определяется разностью давлений в свободном объеме камеры и в системе очистки. При этом источниками образования неконденсирующихся газов являются химическая реакция в зоне выполнения технологической операции и натекание воздуха через неплотности и технологические отверстия. Для исключения выделения образующихся паров и газов в воздух рабочей зоны в свободном объеме камеры должно поддерживаться незначительное разряжение. Учитывая значительные габаритные размеры существующего технологического оборудования, разряжение должно быть достаточным для исключения выделения образующихся паров и газов, но не приводящим к превышению возникающих напряжений критических значений прочности емкостной аппаратуры. В качестве системы откачки могут быть использованы вентилятор, эжектор или вакуумный насос.

Несмотря на многообразие технологических процессов различных отраслей промышленности количество источников и механизмов образования вредных веществ ограничено.

С учетом представленных физической картиной процесса и допущений об идеальном перемешивании жидкой и газовой фаз были записаны дифференциальные уравнения баланса массы и энергии для каждой из взаимодействующих фаз.

Для жидкой фазы дифференциальное уравнение материального баланса записано в виде выражения

(1)

а уравнение теплового баланса рассматриваемой системы – соотношением вида:

(2)

Количество тепла, выделяющееся в ходе реализации сложной экзотермической химической реакции, определено через тепловые эффекты ее отдельных стадий выражением

(3)

с использованием справочных таблиц стандартных величин теплот образования.

Массовый расход поступающей в аппарат композиции, как правило, заданная величина:

(4)

Для расчета массового потока i –того парового компонента в свободный объем камеры использовано выражение вида:

(5)

Парциальная плотность компонента смеси вблизи поверхности жидкой композиции может быть найдена совместным решением уравнений Менделеева-Клапейрона, Рауля и Антуана из соотношения:

(6)

Плотность i – того компонента смеси в объеме камеры находилась из балансовых уравнений. Поток пара может быть представлен в виде суммы

(7)

Скорость реакции определяется числом актов превращений, происходящих в единицу времени в единице объема для гомогенных реакций

(8)

или на единице площади поверхности раздела фаз для гетерогенных реакций

W =

(9)

Константы скорости реакции или , характеризующие протекание процесса на микроуровне, зависят от природы реагентов и температуры. Зависимость константы скорости реакции от температуры согласно Арениусу имеет вид:

или .

(10)

С учетом соотношений между различными способами выражения состава жидкости после некоторых преобразований получены выражения для определения изменения массовой доли реагентов для гомогенных и гетерогенных систем соответственно

	(11)
.	(12)

Плотность жидкой смеси находится по одному из следующих выражений:

(13)

Изменение массы жидкой смеси в результате химической реакции определяется как сумма изменений всех компонентов смеси из уравнения

(14)

Изменение массы жидкости в результате химической реакции, найденное в уравнении (14) равно изменению массы газа в системе, но поток газа в свободный объем камеры лишь часть этой массы. Распределение образовавшегося в результате химической реакции компонента между газовой смесью и равновесной с ней жидкостью осуществляется в соответствие с законом Генри.

Теплоемкость жидкой многокомпонентной смеси была определена по выражению вида: