Кинетика процесса кристаллизации, осложненного химической реакцией

Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

Специальность 05.17.08 - Процессы и аппараты химических технологий

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Кинетика процесса кристаллизации, осложненного химической реакцией (на примере оптического отбеливателя ОБ-жидкого)

Воякина Наталия Вячеславовна

Тамбов 2009



Работа выполнена на кафедрах «Химические технологии органических веществ» и «Химическая инженерия» ГОУ ВПО «Тамбовского государственного технического университета».

Научный руководитель: Заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор Коновалов Виктор Иванович

Официальные оппоненты: доктор химических наук, профессор Килимник Александр Борисович;

доктор технических наук, профессор Тишин Олег Александрович

Ведущая организация: ОАО «НИИхимполимер», г. Тамбов

Защита диссертации состоится « 15 » мая 2009 г. в 14 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д 212.260.02 Тамбовского государственного технического университета по адресу: г. Тамбов, ул. Ленинградская, 1, ауд. 60.

Отзывы в двух экземплярах, скрепленные гербовой печатью, просим направлять по адресу: 392000, г. Тамбов, ул. Советская, 106, ТГТУ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета

Автореферат разослан 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета, доцент В. М. Нечаев

Подписано в печать « » 2009 года

Формат 60 84/16. Гарнитура Times. Бумага офсетная. Печать офсетная.

Объем: 0,93 усл. печ. Л.; 0,86 уч.-изд. Л.

Тираж 100 экз.

Тамбовский государственный технический университет

392000, Тамбов, Советская, 106



Общая характеристика работы

Актуальность работы. В настоящее время в химической и в других отраслях промышленности для отбеливания текстильных волокон, бумаги, пластических масс и пр. применяются оптически отбеливающие вещества (ООВ). Эффективность этих отбеливателей оценивается квантовым выходом флуоресценции, равным отношению числа излученных фотонов света к числу поглощенных фотонов. Это отношение у отбеливателей (в растворе) достигает 90 %. Среди ООВ важное место занимают исследуемые в настоящей работе производные бистриазиниламиностильбенов (торговое название белофоры).

В производстве белофора ОБ-жидкого (выпускная форма - 20 %-й водный раствор, что обусловлено последующей технологией отбеливания) качество готового продукта во многом определяется стадией выделения (выкисления), на которой в аппарате одновременно с химической реакцией идёт процесс кристаллизации. Именно этими процессами определяются гранулометрический состав целевого продукта, концентрация основного вещества и примесей, характеризующие качественные показатели продукта. Существующее производство белофора ОБ имеет ряд недостатков, в число которых входит мелкодисперсность получаемых при выделении кристаллов, а как следствие, также увеличенные потери целевого продукта на стадии фильтрации и высокая концентрация неорганических примесей. Научно обоснованный подход к расчёту и выбору оптимальных технологических параметров процесса кристаллизации позволит получить продукт с более высокими качественными характеристиками (концентрация целевого продукта, дисперсный состав твёрдой фазы, концентрация примесей). Поэтому исследование и моделирование кинетики совмещенных процессов выделения является актуальной научной и практической задачей для процессов получения белофоров и других продуктов тонкого органического синтеза.

Работа выполнялась в рамках ФЦНТП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники на 2002-2006 гг.» (шифр РИ - 16.0/008.223).

Цель работы. Исследование кинетики кристаллизации белофора ОБ при наличии химической реакции и на этой основе разработка технологического процесса получения белофора с улучшенными качественными характеристиками (размер частиц до 40…45 мкм, сокращение содержания примесей до 0,8 %), а также уменьшение потерь целевого продукта.

Соответственно этому в диссертации были поставлены следующие задачи:

-экспериментальное исследование возможностей совершенствования технологии получения белофора ОБ, прежде всего - подбор состава выкисляющего агента и технологического режима, обеспечивающих получение частиц целевого продукта размером до 40…45 мкм;

- изучение кинетики образования и роста кристаллов белофора в модельных условиях кристаллизации при наличии химической реакции;

- определение физико-химических свойств многокомпонентного раствора белофора ОБ;

- экспериментальное исследование влияния на процесс кристаллизации его технологических параметров (температура, интенсивность перемешивания, время выдержки) при различных выкисляющих агентах;

- разработка математического описания процесса и, на этой основе, инженерной методики расчёта технологических параметров процесса кристаллизации белофора;

- экспериментальная проверка разработанного технологического режима на пилотной и промышленной установках.

Научная новизна:

экспериментально и теоретически обоснована и реализована технология получения оптического отбеливателя ОБ с применением выкисляющих агентов, регламентирующая условия протекания лимитирующих процессов: химической кинетики, времени выдержки, гидродинамического и теплового режима, позволяющая получить кристаллы размером до 40…45 мкм;

изучено влияние различных выкисляющих агентов и технологических параметров процесса кристаллизации на гранулометрический состав и оптические свойства получаемого продукта (спектрофотометрическая отражательная способность); рекомендовано использование смеси соляной и уксусной кислот в соотношении по концентрациям 1: 3;

разработано математическое описание кинетики процесса кристаллизации белофора ОБ, осложнённого химической реакцией.

Практическая ценность:

разработана инженерная методика расчёта, позволяющая определять технологические параметры процесса кристаллизации белофора, осложнённого химической реакцией; получены необходимые кинетические характеристики; кинетика белофор химический кристаллизация

исследованы физико-химические свойства суспензии белофора и получены эмпирические корреляции;

изучено влияние температуры процесса выделения, времени выдержки, гидродинамического режима на скорость процесса кристаллизации белофора, осложнённого химической реакцией;

- разработаны рекомендации промышленного применения разработанного метода получения оптического отбеливателя ОБ, позволяющего увеличить размер кристаллов до 40…45 мкм и общий выход отбеливателя на 10 %.

Апробация работы. Результаты работы доложены на X Международной научно-практической конференции «Наукоёмкие химические технологии - 2004» (г. Волгоград, 2004 г.); на второй Международной научно-практической конференции «Современные энергосберегающие тепловые технологии - СЭТТ 2005» (г. Москва, 2005 г.); на второй Международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (г. Санкт-Петербург, 2006 г.); на Международной научно-технической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Инновационные исследования в сфере критических технологий» (Программа «УМНИК», г. Белгород, 2007 г., получен диплом); на Международной конференции по химической технологии ХТ”07 (г. Москва, 2007 г.); на XXI Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях - ММТТ 21 (г. Саратов, 2008 г.)».

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано восемь печатных работ, в том числе две в журнале по перечню ВАК.

Объем работы. Диссертация изложена на 195 страницах основного текста и состоит из введения, четырёх основных глав, выводов, списка литературы и приложения.

Основное содержание работы

Во введении кратко изложено содержание работы и показана актуальность решаемых в ней задач.

В первой главе проведён анализ современного состояния процессов и технологий получения ООВ. Показано, что поскольку ООВ на основе производных стильбена являются полиморфными веществами, для получения высоких качественных показателей выпускных форм необходимо, чтобы основное вещество находилось в очищенной форме, поэтому процессы и технология синтеза белофоров на основе диаминостильбена должны включать дополнительную стадию выделения промежуточного продукта.

Конкретные рецептуры функциональных выкисляющих агентов для получения белофоров на основе диаминостильбена с заданным гранулометрическим составом в литературных источниках не найдены.

Зависимостей, описывающих кинетику процесса кристаллизации белофора, осложнённого химической реакцией, в литературе также нет. Поэтому исследования кинетики процесса кристаллизации белофора, осложнённого химической реакцией, и разработка инженерной методики расчёта технологических параметров процесса имеет важное научное и прикладное значение.

В заключительном разделе первой главы сформулированы задачи исследований.

Вторая глава посвящена разработке математического описания процесса получения белофора ОБ методом кристаллизации, осложнённой химической реакцией, в аппарате емкостного типа с режимом идеального смешения, учитывающего кинетику химического взаимодействия компонентов, кристаллизации образующегося химического соединения и их взаимовлияние.

Основная реакция представлена на рис. 1. Кинетика химического взаимодействия зависит от вида выкисляющего агента. Главной задачей было подобрать экспериментально его состав, для чего нужно определить влияние агентов на концентрацию и гранулометрический состав целевого продукта.

В качестве выкисляющих агентов для исследования были выбраны следующие наиболее перспективные составы (всего 12 вариантов): 1) серная кислота; 2) соляная кислота; 3) уксусная кислота; 4) - 6) смесь серной и уксусной кислот в соотношениях 1:1, 1:2, 1:3 по концентрациям; 7) - 9) смесь соляной и уксусной кислот в таких же соотношениях; 10) - 12) смесь серной и соляной кислот в таких же соотношениях.

Исследования проводились на лабораторной установке, представляющей собой модель реактора-выделителя (рис. 2). Промышленный реактор- выделитель (ОАО «Пигмент») представляет собой аппарат с двухъярусной двухлопастной мешалкой и рубашкой диаметром 2,4 м, рабочей емкостью 16 м3. Возможность использования результатов, получаемых на лабораторной установке, для оценки промышленных процессов подтверждена последующими промышленными экспериментами.

Рис. 1 - Реакция выделения 4,4'-бис-[4”-диэтаноламино-6”-(п-сульфоанилино)-симметричный триазин-2”-иламино]-стильбен-2,2'-дисульфокислоты (кислая форма белофора).

В-Н - выкисляющий агент; В-Na - натриевая соль выкисляющего агента.

Исследования проводились по следующей схеме. К реакционной массе, представляющей собой раствор натриевой соли белофора в воде, добавлялся выкисляющий агент. Процесс вели при непрерывной подаче выкисляющего агента, температуре 80 °С и Re=1400 до достижения значения рН реакционной массы, равного 3...3,5, что соответствует переводу в кислотную форму каждой сульфогруппы белофора ОБ. В течение процесса из раствора реакционной массы выделялась твердая фаза целевого продукта и получалась суспензия светло-желтого цвета. Далее отбирались пробы на анализ концентрации оптически отбеливающего вещества и гранулометрический состав. Фракционный состав определялся микроскопическим анализом проб (фотографии приведены в приложении). Иммерсионные среды не применялись из-за коагуляции частиц.



В результате экспериментальных исследований были получены кинетические зависимости изменения концентрации белофора во времени (рис. 3) при определенном составе выкисляющего агента, а также оценено влияние вышеперечисленных параметров на размер образующихся кристаллов (рис. 4). Аналогичные данные для других выкисляющих агентов приведены в диссертации.

Рис. 3- Изменение концентрации белофора ОБ (выкисляющий агент-смесь соляной и уксусной кислот соотношение 1:3)

В результате анализа полученных экспериментальных данных сделан вывод о том, что максимальная концентрация целевого вещества (44,5 г/дм3) и кристаллы наибольшего размера (20…35 мкм) формируются при выкислении смесью соляной и уксусной кислот в соотношении по концентрациям 1:3 (рис. 3, 4), что обеспечивается присутствием уксусной кислоты. При дальнейшей выдержке кристаллы еще могут укрупняться до 40…45 мкм. 

Рис. 4 -Распределение кристаллов белофора ОБ по размеру в зависимости от состава выкисляющего агента: 1- соляная кислота; 2-серная кислота; 3-уксусная кислота; 4- смесь соляной и серной кислот, соотношение по концентрациям 1:1; 5- смесь соляной и серной кислот, соотношение по концентрациям 1:2; 6- смесь соляной и серной кислот, соотношение по концентрациям 1:3; 7- смесь соляной и уксусной кислот, соотношение по концентрациям 1:1; 8- смесь соляной и уксусной кислот, соотношение по концентрациям 1:2; 9- смесь соляной и уксусной кислот, соотношение по концентрациям 1:3; 10- смесь серной и уксусной кислот, соотношение по концентрациям 1:1; 11- смесь серной и уксусной кислот, соотношение по концентрациям 1:2; 12- смесь серной и уксусной кислот, соотношение по концентрациям 1:3.

При разработке математического описания были приняты следующие допущения.

1) Измельчением кристаллов при движении рабочей среды пренебрегаем.

2) Агломерация кристаллов отсутствует.

3) Продолжительность процесса кристаллизации может быть представлена как множество достаточно малых интервалов времени, на которых скорость роста кристалла можно принять постоянной.

4) Градиенты температур и концентрации растворенного вещества по кристаллизационному объему отсутствуют (гидродинамический режим в аппарате - идеальное смешение).

5) При образовании кислой формы оптического отбеливателя ОБ в результате химической реакции образование побочных веществ отсутствует.

Правомерность принятых допущений обоснована в отечественных и зарубежных работах, проанализированных в главе 1.

При этих допущениях предложены следующие балансные и кинетические соотношения.

Математическое описание образования кислой формы белофора в результате химической реакции

Скорость образования целевого вещества в ходе химической реакции (рис. 1) может быть описана с помощью уравнения химической кинетики

, (1)

где - концентрация кислой формы белофора, образующейся в ходе химической реакции, кмоль/м3; - концентрация натриевой соли белофора, кмоль/м3; - концентрация выкисляющего агента, кмоль/м3.

Изменение массовой концентрации кислоты белофора может быть описано уравнением

. (2)

где - молярная масса компонентов, кг/кмоль; - плотность раствора, кг/м3.

Так как с течением времени к реакционной массе добавляется выкисляющий агент, то плотность реакционной массы будет изменяться и может быть выражена уравнением

, (3)

где - плотность реакционной массы в начальный момент времени, кг/м3.

Убыль концентрации натриевой соли белофора может быть представлена в виде

. (4)

Закон изменения концентрации выкисляющего агента в реакционной массе будет иметь вид

, (5)

где - плотность раствора, кг/м3; - расход реакционной массы, кг/с; - скорость подачи выкисляющего агента, кг/с; - концентрация выкисляющего агента, кг кислоты/кг раствора; - молярная масса выкисляющего агента, кг/кмоль; - время химической реакции, с.

Математическое описание процесса зародышеобразования

Необходимым условием для выделения кристаллов из раствора является наличие пересыщения. В данном случае пересыщение создается за счет химической реакции образования кислой формы белофора.

Скорость изменения мольной концентрации кислой формы белофора, в процессе зародышеобразования за счет выделения твёрдой фазы, зависит от степени пересыщения раствора и кинетических параметров химической реакции образования целевого вещества

, (6)

где Кз - константа скорости зародышеобразования, 1/с;

= f(;;;Т) - равновесное содержание кислой формы белофора.

Общее уравнение для определения скорости зародышеобразования имеет вид

, (7)

где - молярная масса кислой формы белофора, кг/кмоль; - плотность твёрдой фазы, кг/м3; - объем зародышей, м3; - объем реакционной массы, м3.

Математическое описание процесса роста кристаллов

Скорость изменения концентрации кристаллизуемого вещества за счет того, что из реакционной массы в результате химической реакции постоянно расходуется вещество на рост кристаллов, может быть представлена уравнением

, (8)

где Ккр - константа скорости роста кристалла, 1/с.

Общее уравнение объёмной скорости роста кристаллов будет иметь вид

. (9)

Зная геометрическую форму кристалла можно перейти к линейной скорости роста кристаллов.

Математическое описание процесса кристаллизации белофора, осложнённого химической реакцией, в условиях режима идеального смешения.

Кафаровым В.В., Дороховым И.Н., Кольцовой Э.М. приводятся общие уравнения для кристаллизатора периодического действия с перемешиванием суспензии. С учётом того, что процесс осложнён химической реакцией, математическое описание будет включать систему уравнений: сохранения вещества в растворе, сохранения кристаллической фазы, теплового баланса, материального баланса, начальных и граничных условий.

Уравнение сохранения вещества в растворе

. (10)

Уравнение сохранения кристаллической фазы

. (11)

Уравнение теплового баланса



. (12)

Уравнение материального баланса

; (13)

.

Начальные и граничные условия

. (14)

В третьей главе приведены результаты экспериментальных исследований кинетики процесса кристаллизации белофора ОБ, осложнённого химической реакцией. Определены физико-химические свойства суспензии при изменяющемся содержании твёрдой фазы и различных температурах, а также данные по растворимости, приведенные в диссертации. Оценено влияние температуры процесса и времени выдержки на концентрацию и гранулометрический состав целевого продукта. Определено влияние скорости перемешивания на кинетические характеристики процесса кристаллизации белофора, осложнённого химической реакцией.

Исследования влияния температуры на концентрацию и гранулометрический состав белофора ОБ проводились на лабораторной установке рис. 2. Температура варьировалась в диапазоне 30…90°С с шагом 10 °С.

В результате экспериментальных исследований были получены зависимости концентрации кислой формы белофора от времени при определённой температуре, а также оценено влияние вышеперечисленных параметров на размер образующихся кристаллов и концентрацию хлоридов в целевом продукте.

Рисунок 5 - Изменение концентрации кислой формы белофора ОБ при температуре: 1 - 30°С; 2 - 40°С; 3 - 50°С; 4 - 60°С; 5 - 70°С; 6 - 80°С; 7 - 90°С.

Рисунок 6 - Гистограмма распределения кристаллов белофора ОБ по размерам при температуре 60°С

Анализ экспериментальных данных показал, что максимальная концентрация кислой формы белофора (45 г/дм3 (рис. 5) и максимальный размер кристаллов получен при температуре процесса 60°С (рис. 6, табл. 1).

Из данных табл. 1 видно, что при температурах 60 °С и выше достигается минимальное значение концентрации неорганических примесей (хлоридов) 0,8…0,9 % при минимальном времени фильтрования (5…8 мин) с наименьшими потерями целевого вещества (0,5…1,1 %).



Таблица 1 - Результаты экспериментальных исследований влияния температуры на качественные характеристики белофора ОБ

Выкисляющий агент	Температура процесса, °С	Концентрация целевого вещества в фильтрате, %	Содержание хлоридов в пасте, %	Время фильтрования, мин
Смесь соляной и уксусной кислот (1:3)	30	12	2,9	35
	40	6	2,5	25
	50	3	1,5	12
	60	0,5	0,8	5
	70	1,2	0,9	7
	80	1,2	0,9	7
	90	1,1	0,9	8

Из анализа данных, представленных в табл. 1 и на рис. 5…6, следует, что для проведения процесса кристаллизации белофора ОБ целесообразно использовать температуру 60 °С.

Для оценки влияния гидродинамического режима на размер получаемых кристаллов экспериментальные исследования проводились при числах Рейнольдса в диапазоне 800…2400, в качестве выкисляющего агента использовалась смесь соляной и уксусной кислот в соотношении по концентрациям 1 : 3, температура процесса 60 °С.

Рисунок 7 - Распределение кристаллов белофора ОБ по размерам, полученных: 1 - при Re=800; 2 - при Re=1200; 3 - при Re=1600; 4 - при Re=2000; 5 - при Re=2400.

Анализ экспериментальных данных показал, что увеличение числа Рейнольдса до 1600 улучшает однородность гранулометрического состава, а дальнейшее увеличение до 2400 ведет к снижению размера кристаллов и увеличению диапазона фракций (рис. 7). Таким образом, кристаллы наибольшего размера и наиболее однородного состава формируются при числе Re = 1600.

Для исследования влияния времени выдержки (после окончания подачи выкисляющего агента) на размер получаемых кристаллов белофора ОБ также был проведен ряд экспериментов. Числа Рейнольдса при этом изменялись в диапазоне 800…2400.

Из полученных данных (рис. 8) можно сделать вывод, что процесс роста кристаллов наблюдается в течение 25…35 мин и максимальный диаметр кристаллов белофора (43…45 мкм) получено при скорости перемешивания 40 об/мин (Re = 800). Для кристаллов кислой формы белофора ОБ с размерами 30…45 мкм, можно говорить также о снижении потерь целевого продукта на стадии фильтрации.

Порядок реакций определялся дифференциальным методом анализа экспериментальных данных (зависимости концентрации кислой формы белофора от времени при температуре 60С). Реакция образования кислой формы белофора имеет первый порядок по кислой форме белофора.

Для определения константы скорости реакции образования кислой формы белофора были использованы результаты экспериментальных исследований влияния температуры на концентрацию белофора ОБ (при шести температурах от 40…90 °С).



В результате было получено выражение зависимости логарифма константы скорости реакции от температуры

. (15)

Для проверки вычислений по математической модели необходимо знание константы скорости зародышеобразования. Модельные исследования проводились по следующей методике:

- испытуемый раствор при температуре, соответствующей метастабильному состоянию, загружали в емкость для кристаллизации, и проводили процесс кристаллизации, осложнённый химической реакцией, в течение 20 минут с отбором проб через каждые 2 мин.;

- в отобранных образцах определяли количество кристаллов в единице объема (1 см3).

По результатам экспериментов была построена зависимость общего количества зародышей кристаллов от времени (рис. 9), из которой видно, что количество зародышей кристаллов увеличивается в первые 10…12 мин.

Константу скорости роста кристаллов определяли путём измерения линейных размеров кристаллов во времени при наблюдении испытуемых частиц под микроскопом в разные моменты времени по следующей методике:

- в специальный измерительный сосуд помещали раствор с затравкой - кристаллом;

- измерительный сосуд помещали на рабочий стол микроскопа МББ - 1А и проводили наблюдение; фиксировали изменение линейного размера кристалла при медленном создании пересыщения, которое обеспечивалось подачей выкисляющего агента из пипетки в измерительный сосуд.

На основании полученных экспериментальных данных были построены зависимости изменения диаметра кристалла во времени (рисунок 10).

Исходя из расчётов, основанных на полученных экспериментальных данных для использованных и рекомендуемых режимов, константа скорости химической реакции равна 3·10-3 с-1, константа скорости зародышеобразования равна 1,1·10-3 с-1, константа скорости роста кристалла равна 9,6·10-4 с-1. Аналогично, для использованных и рекомендуемых режимов, были определены величины энергий активации: для химической реакции 43,4 кДж/моль, для процесса зародышеобразования 11,0 кДж/моль, для процесса роста кристаллов 12,2 кДж/моль.



Рисунок 10 - Изменение размера кристалла за время проведения процесса 1 - образец № 1; 2 - образец № 2; 3 - образец № 3; 4 - образец № 4; 5 - образец № 5; 6 - среднее значение.

В четвертой главе представлена методика инженерного расчёта процесса кристаллизации белофора ОБ, осложнённого химической реакцией, в которой были использованы результаты экспериментальных исследований и получены необходимые аппроксимационные зависимости. Расчёты выполнялись численно, с использованием программы Borland Pascal 7.0. Алгоритм и текст программы даны в приложении. Заключительная экспериментальная проверка разрабатываемого процесса кристаллизации белофора ОБ производилось на пилотной установке (емкостью 3 м3) и на промышленном реакторе-выделителе ОАО «Пигмент» (емкостью 15,5 м3). В диссертации приводятся методики и результаты этих экспериментов, а также методики и результаты проведенных вычислительных экспериментов и проверки адекватности предложенного математического описания реальному процессу.

Таблица 2 - Экспериментальные и расчётные данные, полученные на пилотной установке емкостью 3 м3 и на промышленном аппарате емкостью 15,5 м3

Наименование параметра	Ед. изм.	Пилотная уста-новка	Промышленная установка
		Экспер.	Расчёт	Экспер.	Расчёт
Конечная концентрация белофора ОБ	г/л	45	47,7	45	49,3
Объем выделившихся кристаллов	м3	1,12	1,45	6,02	6,87
Средний диаметр кристалла	мкм	42	45,5	41	44,8



Анализ результатов, полученных на пилотной и промышленной установках, свидетельствует об адекватности реальному процессу разработанного математического описания кинетики процесса кристаллизации белофора ОБ, осложнённого химической реакцией, при расхождении между расчётными данными и средними значениями эксперимента ~ 9 и 11% (табл. 2).

В результате предложены следующие рекомендации для промышленного получения белофора ОБ с размером кристаллов до 40…45 мкм, принятые к реализации на ОАО «Пигмент»:

в качестве выкисляющего агента использовать смесь соляной и уксусной кислот в соотношении 1 : 3;

режим процесса: температура выделения белофора ОБ - 60 С, при скорости перемешивания 80 об/мин; выдержка при постоянной температуре в течение 30 минут, при скорости перемешивания 40 об/мин.

Оценка качества получаемого продукта показала, что содержание хлоридов при предложенном режиме уменьшается до 1…0,8 %, а потери целевого продукта сокращаются до 0,5 %.

Выполнена также предварительная оценка экономической эффективности предлагаемого процесса, которая показала, что выигрыш по выходу и качеству продукта будет примерно в 7 раз больше затрат на выкисляющий агент. Подтверждена возможность использования существующих схем рекуперации и утилизации с некоторыми коррективами.



Основные результаты и выводы

1. Исследовано влияние различных выкисляющих агентов (12 вариантов) и параметров технологического режима на гранулометрический состав и выход белофора ОБ. Определен состав выкисляющего агента - смесь соляной и уксусной кислот в соотношении 1 : 3, параметры процесса - температура 60 С, скорость перемешивания 80 об/мин (Re = 1600), время выдержки 30 мин., позволяющие получить белофор ОБ с размер частиц до 40…45 мкм.

2. Предложено математическое описание процесса кристаллизации, осложнённого химической реакцией, позволившее разработать инженерную методику расчёта габаритных размеров аппарата на заданную производительность, скорости подачи выкисляющего агента, времени процесса, температуры процесса, гидродинамического режима.

3. Определены физико-химические свойства (плотность и вязкость) суспензии белофора ОБ и получены эмпирические корреляции для их расчёта при различных концентрациях твёрдой фазы.

4. Исследована кинетика процесса кристаллизации, осложнённого химической реакцией. Оценено влияние состава выкисляющего агента, температуры и гидродинамического режима на кинетику процесса и гранулометрический состав целевого продукта.

5. Определены кинетические коэффициенты и энергии активации химической реакции, зародышеобразования и роста кристаллов белофора ОБ.

6. Проведена опытно-промышленная проверка процесса кристаллизации белофора ОБ, осложнённого химической реакцией, в аппаратах емкостью 3 и 15,5 м3. Предложены изменения технологии производства белофора, позволяющие увеличить общий выхода белофора ОБ на 10%. Предложения приняты к реализации ОАО «Пигмент», г. Тамбов.



Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах

1. Н.П. Утробин, К.В. Брянкин, В.С. Орехов, Н.В. Воякина О возможности применения процесса кристаллизации для очистки суспензий полупродуктов органических красителей от водорастворимых примесей // Наукоемкие химические технологии - 2004: Тезисы докладов X Международной научно-технической конференции. - Волгоград: РПК «Политехник», 2004. Том 2. - С.198 - 200

2. Леонтьева А.И., Орехов В.С., Воякина Н.В., Марков А.В. Применение метода изогидрической кристаллизации для очистки многокомпонентного раствора суспензий полупродуктов органических красителей // «Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и тепловые процессы) СЭТТ-2005». Труды Второй Международной научно-практической конференции. Том 2. - М.: Издательство ВИМ, 2005. - С. 276 - 280

3. А.И. Леонтьева, В.С. Орехов, Н.В. Воякина, А.В. Марков. Исследование кинетики процесса кристаллизации водорастворимых солей из многокомпонентных растворов и суспензий полупродуктов органических красителей. // Вестник Тамбовского государственного технического университета. 2006. Т. 12, № 3А. - Тамбов: Изд-во Тамб. гос. тех. ун-та 2006. - С. 675 - 689.

4. Воякина Н.В., Казанский П.А., Жаринов И.Е. Иследование состава выкисляющего агента и оценка его влияния на размер и форму кристаллов белофора ОБ-жидкого. Сборник трудов Международной научно-технической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Инновационные исследования в сфере критических технологий» - Белгород: Изд-во БелГУ, 2007. - С.19

5. Орехов В.С, Воякина Н.В. Определение состава выкисляющего агента и оценка его влияния на размер и форму кристаллов белофора ОБ-жидкого. Сборник тезисов докладов Международной конференции по химической технологии ХТ'07.Т.1/Под ред. А.А.Вошкина, А.И.Холькина. - Москва.: ЛЕНАНД, 2007. - С.228

6. Утробин Н.П., Воякина Н.В., Орехов В.С., Главатских Н.С. Математическое описание процесса кристаллизации, осложнённой химической реакцией. Сборник трудов XXI Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях - ММТТ 21- Саратов: Изд-во Саратовского гос. тех. ун-та 2008. - С.125 - 127.

7. Воякина Н.В., Коновалов В.И. Исследование кинетики кристаллизации белофора ОБ, осложнённой химической реакцией.// Вестник Тамбовского государственного технического университета. 2008. Т. 14, № 3. - Тамбов: Изд-во Тамб. гос. тех. ун-та, 2008. - С. 513 - 516.



Основные обозначения

- концентрация натриевой соли белофора ОБ, кмоль/м3;

- концентрация выкисляющего агента, кмоль/м3;

- время химической реакции, с;

- температура процесса, К;

- объем реакционной массы, м3;

- плотность твёрдой фазы, кг/м3;

- молярная масса компонентов, кг/кмоль;

- теплоемкость раствора, Дж/(кгК);

- теплоемкость твёрдой фазы, Дж/(кгК);

- теплота кристаллизации, кДж/кг;

- скорость подачи выкисляющего агента, кг/с;

- плотности смеси, кг/м3;

-концентрация выкисляющего агента в реакционной массе, кмоль/м3.

Размещено на Allbest.ru

...