Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

Разработка ресурсо- и энергосберегающих технологий и аппаратурное оформление процессов, сопровождающихся выделением газовой фазы

05.17.08 - Процессы и аппараты химических технологий

доктора технических наук

Башкиров Владимир Николаевич

Иваново 2006

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

Научный консультант - доктор технических наук, профессор, Сафин Рушан Гареевич

Официальные оппоненты- доктор технических наук, профессор Сажин Виктор Борисович

- доктор технических наук, профессор Авдюнин Евгений Геннадьевич

- доктор технических наук, профессор Липин Александр Геннадьевич

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, пр. Ф. Энгельса, 7, ауд. Г-205.

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

Автореферат разослан 2006 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Зуева Г.А.

технологический газовый фаза

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.

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, ОАО «Нижнекамскнефтехим», Казанском медико-инструментальном заводе, Казанском химическом комбинате им. Вахитова (ОАО «Нэфис»), Муромском приборостроительном заводе, Казанском ОАО «Татмебель», Краснозаводском химическом комбинате осуществлено с общим экономическим эффектом свыше 12 млн. рублей.

Муромскому приборостроительному заводу, ОАО «Нижнекамскнефтехим» 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 (ОАО «Нэфис») 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 Н.А. Халево» (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, 1982-2006).

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.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

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:

(15)

Дифференциальные уравнения материального баланса для компонентов газовой смеси и смеси паров имеют вид по газу

 (16)

по пару

. (17)

Уравнение теплового баланса рассматриваемой системы для парогазовой фазы было записано в следующем виде:

(18)

Учитывая, что плотность смеси идеальных газов выражается уравнением вида

(19)

можно записать для смеси паров

(20)

для смеси газов

(21)

для парогазовоздушной смеси, соответственно:

(22)

После дифференцирования уравнений (20) -(22) получим изменения плотностей смеси паров, газов и парогазовоздушной смеси в свободном объеме камеры.

Теплоемкость и молекулярная масса указанных смесей были определены в соответствие с правилом аддитивности.

Величина потока воздуха определяется интенсивностью натекания через неплотности камеры выражением вида:

. (23)

Интенсивности отвода газов и паров определяются производительностью системы откачки (вентилятора, эжектора или насоса другого типа). Так для эжектора, показателем эффективной работы которого является объемный коэффициент инжекции, объемная производительность может быть определена из уравнения

. (24)

В случае использования конденсатора интенсивность откачки пара находится из объемной производительности конденсатора

(25)

Исключением из рассмотрения отдельных слагаемых уравнений баланса массы и энергии обобщенной модели можно получить математические модели реальных технологических процессов Учет специфики конкретных технологических процессов осуществлялся введением в модель каждого из них соответствующих дополнительных допущений и краевых условий.

В математической модели совмещенных процессов испарения и конденсации в отличие от обобщенной модели отсутствуют потоки воздуха, газа и химическая реакция между компонентами жидкой смеси. Поэтому уравнение материального баланса по i - тому паровому компоненту было записано в виде:

, (26)

а уравнение теплового баланса соответственно - в виде:

. (27)

В начальный период времени тепло, содержащееся в жидкости, расходуется на нагрев стенок аппарата и теплообмен с жидкостью, находящейся в аппарате, то есть

. (28)

При достижении жидкостью температуры кипения тепло, содержащееся в жидкости, согласно допущению о надежной теплоизоляции, расходуется только на испарение:

. (29)

Для исключения возможности осложнения процесса конденсации присутствием инертных газов в технологический цикл включен вакуумный насос. Чаще всего им является жидкоструйный эжектор. Поэтому объемная производительность системы удаления пара равна объемной производительности конденсатора. Поделив уравнение (26) на d , после некоторых преобразований получено дифференциальное уравнение изменения парциального давления пара:

. (30)

Для идеальных бинарных систем зависимость между содержанием легколетучего компонента в жидкости и паре представляется выражением:

, (31)

Совместное решение системы уравнений, описывающей изменение основных параметров паровой смеси в течение процесса для случая идеального смешения компонентов в паровой фазе, проводилось при краевых условиях вида:

граничные условия

(32)(33)

начальные условия

(34)(35)(36)(37)

Представленная уравнениями (26) - (37) математическая модель, полностью описывает совмещенные процессы испарения и конденсации токсичных паров.

Учитывая, что капельная конденсация - явление случайное и весьма неустойчивое при описании тепломассопереноса процесса конденсации используются все основные предпосылки и допущения пленочной теории конденсации. Для однокомпонентной жидкости решение модели конденсации сводится к определению необходимых поверхности теплообмена и расхода хладагента. При описании этого процесса используют уравнения Ньютона-Рихмана:

, (38)

Нуссельта и уравнение материального баланса вида:

. (39)

При конденсации паров бинарной жидкой смеси температура фазового перехода, в связи с изменением состава паровой смеси в ходе процесса, меняется. Зависимость температуры конденсации от состава пара может быть представлена выражением вида:

. (40)

Так как, в рассматриваемом нами случае известен состав поступающей на конденсацию паровой фазы, согласно правилу фаз Гиббса, можно независимо менять только один параметр состояния - температуру или давление. Следовательно, каждому значению давления в системе должно соответствовать строго определенная величина концентрации i-того компонента конденсата. Совместным решением уравнений (31) и (40) получено выражение вида:

. (41)

Зависимости температуры фазового перехода и состава конденсата от состава пара выражены в неявном виде. Поэтому их расчет невозможен без применения численных методов. Задачей расчета совмещенных процессов испарения и конденсации смеси паров является решение представленной системы уравнений с целью определения площади поверхности конденсации.

Если в модели совмещенных процессов испарения и конденсации имеет место химическое взаимодействие между компонентами жидкой фазы, то уравнения материального и теплового баланса каждой из взаимодействующих фаз обобщенной модели (1, 2, 16, 17, 18), соответственно, сводятся к выражениям вида

(42)

(43)

(44)

(45)

В математическом описании процессов, сопровождающихся выделением паров и газов в результате испарения и химической реакции, имеет место химическое взаимодействие реагентов, потоки пара и газа. Для парогазовой фазы уравнение теплового баланса запишется в виде

(46)

а уравнение материального баланса, соответственно, в виде:

для i - го компонента пара

(47)

для j - того компонента газа

(48)

Для жидкой фазы уравнение теплового баланса примет вид

, (49)

а уравнение материального баланса записано из условия, что парциальные масса i - того жидкого компонента реакционной смеси убывает в результате испарения по закону:

; (50)

для парциальной массы j - того газового компонента в реакционной смеси было использовано выражение вида:

, (51)

поскольку газ выделяется в процессе химической обработки и его парциальная масса в реакционной смеси будет определяться интенсивностью образования газа и интенсивностью перехода его в газовую фазу.

(56)

Изменение парциальных давлений паровых и газовых компонентов над поверхностью реакционной смеси при изменении температуры на величину dT было получено дифференцированием уравнения Антуана после подстановки в него уравнения Рауля:

(57)

Парциальная плотность компонента парогазовой смеси над поверхностью реагента может быть найдена по уравнению Менделеева-Клапейрона, из которого после дифференцирования получено:

(58)

С учетом зависимости константы скорости химической реакции (8), кинетического уравнения реакции (10), протекающей при химической обработке, и суммарной площади обрабатываемых деталей, получено выражение для определения потока массы j - того газового компонента, образующегося в результате химического превращения:

. (59)

Поскольку в данном случае пренебрегать сопротивлением жидкой и газовой фаз нельзя для расчета массового потока i -того парового компонента в свободный объем камеры использовано выражение (5).Плотность i - того компонента вблизи поверхности реакционной смеси можно рассматривать как величину равновесную, то есть однозначно определяемую состоянием жидкой фазы. Плотность этого компонента в объеме камеры химической обработки может быть найдена из балансовых уравнений.

При разработке системы очистки для установок термической переработки древесных отходов требуемой мощности состав и количество образующихся при сжигании древесины газов определяется на основе элементарных реакций окисления элементов, входящих в состав топлива. При этом объем воздуха, необходимый для полного сгорания 1 кг древесных отходов, определялся по формуле:

V= 4,742-0,04742(W+ А), (60)

а объемы образовавшихся газов из следующих соотношений:

объем азота

V=3,751- 0,03751(W+А), (61)

объем углекислого газа

=0,9517-0,009517(W+ А), (62)

объем водяных паров без учета значения коэффициента избытка воздуха

V=0,7534 +0,00486W-0,007533А, (63)

и с его учетом

V= V+0,0161(-1)V. (64)

Объем дымовых газов определяется как сумма объемов вышеперечисленных компонентов с учетом коэффициента избытка воздуха :

для влажных газов

V= V+V+V+(-1)V; (65)

для сухих газов

V=V+V+(-1)V. (66)

Расход топлива определяется как отношение мощности энергетического агрегата к полезно используемой теплоте:

. (67)

В случае необходимости динамических характеристик процесса полученные интегральные показатели должны быть дополнены опытными данными и увязаны с режимными параметрами процесса. Так как процесс сжигания древесного топлива включает в себя этапы, сопровождаемые превращениями различной природы, каждый из которых описывается индивидуальными методиками, для повышения эффективности как самого процесса сжигания, так и - процесса очистки образующихся дымовых газов, методика расчета установки переработки древесных отходов включает математическую модель процесса сжигания древесного топлива и математическую модель процесса предварительной сушки древесного топлива. Учитывая ограниченный объем автореферата, указанные модели приведены в диссертации.

В каждой из представленных моделей количество поступающей на очистку газовой смеси и содержание в ней компонентов, подлежащих улавливанию, выводятся на печать и являются исходными данными для расчета параметров системы очистки. Выбор способа очистки определяется технологическими соображениями. Для исследуемых процессов наиболее приемлемыми являются абсорбция, адсорбция или их комбинация. Для санитарной очистки отходящих газов наиболее рациональным является использование насадочных абсорберов, расчет параметров которых включает в себя уравнение материального баланса, из которого определяется масса загрязнителя, переходящего из газовой смеси в поглотитель

. (68)

Плотность орошения вычисляется из соотношения

. (69)

Коэффициент массоотдачи по газовой фазе в абсорберах с регулярной насадкой находят из соотношения

(70)

Коэффициент массоотдачи в жидкой фазе может быть определен по выражению:

. (71)

Необходимая высота насадки рассчитывается по соотношению:

. (72)

Гидравлическое сопротивление орошаемой насадки рассчитывается по уравнению:

. (73)

Для эффективной работы системы адсорбционной очистки необходимы сведения о пространственно-временном распределении загрязнителя в потоке газа и в слое поглотителя. Для математического описания экспериментально полученного распределения загрязнителя в слое адсорбента и в потоке газа использована одномерная математическая модель адсорбции с учетом массопроводности внутри частицы, включающая уравнение материального баланса в неподвижном слое адсорбента по газовой фазе:

. (74)

уравнение кинетики сорбции:

(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»₇, 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 К_у 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 К_у

№ 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.	1986-1992	3989,0
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.	1992-1998	655.4
4.	Установка для извлечения жирных кислот из соапстока	ОАО «Нэфис», г. Казань.	2001	415,9
5.	Установка безреактивного расщепления жиров	ОАО «Нэфис», г. Казань.	2001	359,3
6.	Окрасочная камера	ОАО «Татмебель», г. Казань.	2001	424,7
7.	Адсорбционная установка рекуперации растворителей	ОАО «Нижнекамскшина», г. Нижнекамск.	2003	630,0
8.	Установка для термической переработки отходов	ЗАО «Ласкрафт», 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.

В приложении к работе приведены: элементы программ расчета исследуемых процессов, результаты статистической обработки полученных данных, акты внедрения выполненных разработок, результаты промышленных испытаний и экономическое обоснование внедрения разработок в промышленность.

Основные результаты работы

1. Разработана обобщенная математическая модель технологических процессов, сопровождающихся выбросами, позволяющая оценить степень влияния каждого из механизмов образования токсичных выбросов на общее количество образующихся вредных веществ.

2. Получены математические модели и алгоритм расчета реальных производственных технологических процессов: отстаивания при безреактивном расщеплении жиров в производстве глицерина, извлечения жирных кислот из соапстока, химической обработки металлических изделий, термической переработки древесных отходов с системами очистки конденсацией, абсорбцией, адсорбцией или их комбинацией, позволяющие осуществлять математическое моделирование с целью выбора рациональных режимных параметров и конструктивных характеристик оборудования.

3. Разработаны экспериментальные установки для исследования указанных процессов, традиционно сопровождающихся выбросами. Отдельные решения, положенные в основу экспериментальных установок, были использованы в дальнейшем в различных отраслях промышленности для аппаратурного оформления производственных процессов.

4. Ряд экспериментальных установок использован в учебном процессе и позволяет оперативно готовить опытные образцы и осуществлять всестороннее изучение процессов сушки, горения и газоочистки.

5. Получены новые экспериментальные данные о кинетике процессов: безреактивного расщепления жиров, извлечения жирных кислот из соапстока, химической обработки металлических изделий, термической переработки древесных отходов, адсорбции летучих растворителей.

6. Введено понятие и определена величина коэффициента неиспользованной поглотительной способности адсорбента к моменту окончания фазы адсорбции.

7. По известным экспериментальным данным получены эмпирические зависимости: энтальпий кислорода углекислого газа, окиси углерода, азота, водяного пара, воздуха от температуры; теплоемкости и теплопроводности древесной частицы (сосны) от влагосодержания в диапазоне от 0 до 150% и температуры от 0 до 100⁰С, давления насыщения водяного пара от температуры, повышающие точность расчета и уменьшающие объем вычислений.

8. По результатам математического моделирования выданы рекомендации по усовершенствованию технологических процессов, сопровождающихся традиционно выбросами токсичных веществ, осуществлен выбор рациональных режимных параметров и конструктивных характеристик оборудования.

9. Новизна технологических и технических решений, положенных в основу усовершенствованных технологических схем и их аппаратурного оформления, защищена 22 авторскими свидетельствами и патентами на изобретения.

10. Научные и прикладные результаты исследований переданы предприятиям, научно-исследовательским и проектным организациям в виде методик расчета, отчетов, готовых проектов и рекомендаций для проектирования и реконструкции технологических процессов и их аппаратурного оформления.

11. Экономический эффект от внедрения результатов исследования в промышленность составил свыше 15 млн. рублей.

Основные обозначения

- коэффициент теплоотдачи, Вт/(м²К); - коэффициент теплопроводности, Вт/(мК); - толщина пленки конденсата, размер частицы, м ; - плотность, кг/м³; - коэффициент динамической вязкости, Пас; T - температура, К; H - высота слоя, м; D - коэффициент диффузии, м²/с; c - удельная теплоемкость, Дж/(кгК); - коэффициент массоотдачи, с^-1; - поверхностный коэффициент массоотдачи, м/с; - коэффициент кинематической вязкости, м²/с; J - массовый поток, кг/(м²с); - поток массы, поступающий в результате загрузки, кг/(м²с); - поток массы, образуемый в результате испарения, кг/(м²с); - поток массы, образующийся в результате химической реакции, кг/(м²с); Р, р - полное и парциальное давление, Па; F - площадь поверхности, м²; - время, с; Q - объемная производительность,м³/с; d - диаметр, м; q - удельная теплота химической реакции, Дж/кг; m - масса, кг; m1 - коэффициент распределения; r - скрытая теплота парообразования, Дж/кг; - порядок реакции; w - скорость, м/с; A, B - коэффициенты в уравнении Антуана; Вка - массовый расход топлива, кг/с; а - количество вещества адсорбируемое единицей объема (массы), кг/м³(кг/кг); K - коэффициент теплопередачи, Вт/(м²К); - средняя разность температур горячего и холодного теплоносителя, К; - гидравлическое сопротивление, Па; аф, - коэффициенты в уравнении изотермы Фрейндлиха; S - площадь поверхности конденсации, м²; R - универсальная газовая постоянная, Дж/(кмольК); M - молярная масса, кг/кмоль; Г - параметр, учитывающий форму частиц; - массовые доли компонента в жидкости и паровой фазе, кг/кг; х, у - мольные доли компонента в жидкости и паровой фазе, кмоль/кмоль; - коэффициент активности; Еа - энергия активации, -кДж/моль; W - влажность, %; ач - коэффициент температуропроводности, м²/с; G - массовый расход, кг/с; - константа скорости гомогенной и гетерогенной реакции, м³/с, м/с; kм - коэффициент массопроводности, м²/с; С - массовая концентрация, кг/м³; k1 - показатель адиабаты; - порозность слоя; h - размер частицы адсорбента, м; U - плотность орошения, м³/(м²с);. U0 - объемный коэффициент инжекции; f0 - фугитивность (летучесть) поглощаемого газа; А^* - предэкспоненциальный множитель. Индексы: в- воздух; п - пар; г - газ; гр - граница раздела фаз; р - рабочий; j - компонент газа; i - компонент пара или жидкости; н - начальный; ж - жидкость; см - смесь; а - аппарат; ин - инжектируемый; нас - насыщенный; ср - средний; кип - кипение; ст - стенка; х - хладоагент; к - конечная; кс - конденсация; гв - газовоздушный; пгв - парогазовоздушный; пг - парогазовый; св - свободный; v - объемный; сух - сухой; пдк - предельно-допустимая концентрация; хр - химическая реакция; ч - частица.

...