Введение к работе
Актуальность работы. Минеральные соли относятся к одним из наиболее массово выпускаемых продуктов промышленного производства. Экономика их производства определяет экономичность практически всех материалов и изделий, выпускаемых с их применением. Технология минеральных солей в связи с использованием в процессе их получения насыщенных растворов, получаемых, как правило, из разбавленных растворов путем упарки последних, является энергоемкой отраслью.
В связи с этим исследование, разработка и внедрение энергоэффективных энергосберегающих технологий солей является актуальной задачей развития химической отрасли промышленности.
Одним из перспективных направлений совершенствования производства солей с обеспечением их экологичности и энергосбережения является использование циркуляционных технологий. Рецикл рабочих растворов в производстве солей обычно применяли с целью регулирования роста кристаллов, улучшения фильтрующих свойств и чистоты выпускаемых солей и обеспечения полноты использования компонентов природного сырья. Применением циркуляции рабочих растворов в технологии многих солей можно создать условия для выделения солей в более концентрированной товарной форме и для исключения из технологии их получения энергоемких процессов выпарки растворов и сушки солей. Особую актуальность имеет применение данных принципов в технологии крупнотоннажных солей, потребляемых во многих областях хозяйства в больших масштабах. К таким продуктам относятся фосфаты натрия и хлористый аммоний, выпуск которых на предприятиях России к концу двадцатого века был практически полностью прекращён из-за высокой стоимости их производства по устаревшим энергоемким технологиям.
В соответствии с Указом Президента РФ от 7 июля 2011 г. N 899 "Об утверждении приоритетных направлений развития науки, технологий и техники в Российской Федерации и перечня критических технологий Российской Федерации" энергоэффективность и энергосбережение относятся к приоритетным для России направлениям на предстоящий этап модернизации и развития производства. В связи с этим исследование и создание энергосберегающих технологий является важной народнохозяйственной задачей, имеющей большое практическое значение.
Работа выполнена по планам работ по единым заказ - нарядам Б 04818500706, № 1.08.03 (1993-97 гг.), №2.14.006 (1998-2002 гг.), по координационному плану проблемного совета «Экологическая технология» комплексной программы Минобразования РФ, «Человек и окружающая среда. Проблемы охраны природы» (шифр проблемы 0.14.05.03), по программе НТП № 7 «Теоретические основы хим. технологии и новые принципы управления хим. процессами» (научные руководители член корреспондент АН СССР Бучаченко А.Л. и академик Саркисов П.Д., приказ № 489 Гособразования СССР, код темы 7.4.1.33), а также по планам хоздоговорных и госбюджетных НИР Дзержинского филиала НГТУ, планам предприятий ОАО «Корунд», ООО «Волгаоргхим», ООО «Патриот», ООО «ПрофиХим», ООО «Техлайнсервис».
Совершенствование существующих производств традиционно выпускаемых солей с обеспечением снижения энергопотребления при их получении, с повышением степени использования сырья, увеличением концентрации основного вещества в продукте, с использованием отходов и абгазов других производств для получения солей является важной народнохозяйственной задачей, решение которой исключительно актуально.
Цель работы. Целью настоящего исследования явилось создание физико-химических и технологических основ и разработка гибких энергосберегающих технологий концентрированных фосфатов натрия, хлористого аммония и соляной кислоты из отходящих газов производства хлорорганических веществ с комплексным решением вопросов их экологичности и экономичности.
Задачи работы.
Для достижения цели работы были поставлены следующие задачи:
-
установление кинетических закономерностей растворения соды в циркулирующих солевых растворах;
-
исследование массообменных процессов при абсорбции оксидов фосфора и хлористого водорода из отходящих газов обезвреживания отходов фосфорного шлама, отходов производства хлоркарбоновых кислот;
-
изучение политермической кристаллизации индивидуальных фосфатов натрия и хлористого аммония из концентрированных растворов;
-
определение свойств концентрированных растворов, давления паров над ними и равновесной растворимости карбоната натрия в циркулирующих растворах фосфатов натрия, пересыщений в растворах и межфазное распределение примесей;
-
разработка технологических принципов энергосберегающего циркуляционного производства концентрированных фосфатов натрия;
-
разработка энергосберегающей технологии хлористого аммония из отходящих газов производства хлоркарбоновых кислот на базе многостадийной абсорбции хлористого водорода циркулирующим маточным раствором.
Научная новизна. Предложен принцип обеспечения энергосбережения при получении концентрированных растворов путем использования циркуляции растворов. Экспериментальными и теоретическими исследованиями содорастворения, кристаллизации фосфатов натрия и хлористого аммония, абсорбции оксидов фосфора и хлористого водорода циркулирующими растворами и результатами практической реализации подтверждена правильность данного принципа, обеспечивающего энергосбережение при производстве солей.
Впервые получены данные по пересыщениям в растворах фосфатов натрия различной замещенности, установлено влияние степени замещения ионов водорода в кислоте и скорости охлаждения раствора на величину пересыщения. Для управления размерами получаемых кристаллов, их габитусом и фильтрующими свойствами получены новые данные по скоростям охлаждения раствора в процессе политермической
кристаллизации необходимые для процесса получения десятиводного тринатрийфос-фата (ТНФ), семиводного динатрийфосфата (ДНФ), безводного и одноводного моно-натрийфосфата (МНФ).
Получены новые данные по скоростям кристаллизации одно-, двух- и трехза-мещенных фосфатов натрия, определены оптимальные технологические режимы выделения безводного и одноводного МНФ, семиводного ДНФ и десятиводного ТНФ и научно обоснованы новые энергосберегающие циркуляционные технологии данных фосфатов, обладающих более высоким содержанием основного вещества и лучшими потребительскими свойствами по сравнению с ранее выпускавшимися фосфатами натрия.
Получены отсутствовавшие ранее данные по плотности и вязкости растворов фосфатов натрия, равновесных с десятиводным тринатрийфосфатом, семиводным ди-натрийфосфатом, одно- и безводным мононатрийфосфатом.
Определены данные по плотности, вязкости и давлению паров солянокислых растворов хлористого аммония.
Получены отсутствовавшие данные по равновесной растворимости карбоната натрия и динатрийфосфата и по скорости растворения карбоната натрия в совместных растворах.
Определены коэффициенты межфазного распределения примесей мышьяка при кристаллизации фосфатов натрия различной замещенности.
Получены новые данные по влиянию скорости охлаждения растворов при кристаллизации хлористого аммония на размеры выделяющихся кристаллов.
Получены отсутствовавшие ранее данные по абсорбции оксидов фосфора раствором ДНФ в распылительной колонне и пенном аппарате при обезвреживании отходов фосфорного шлама взамен существовавшей ранее водной абсорбции, позволившие обосновать новое техническое решение по утилизации полученного циркулирующего фосфатного раствора в производстве ТНФ без увеличения нагрузки на выпарные аппараты с достижением энергосбережения и повышением производительности установки сжигания шлама.
Впервые получены данные по массопередаче при промывке и очистке печных газов конденсатом соляной кислоты, при абсорбции хлористого водорода раствором хлористого аммония в кожухотрубчатых абсорберах, при абсорбции аммиака совместно с хлористым водородом в насадочных колоннах, позволившие обосновать новую концепцию организации производства хлористого аммония из печных газов огневого обезвреживания хлорсодержащих отходов получения монохлоруксусной кислоты без применения упарки нейтрализованного раствора или его сушки топочными газами в сушилке с «кипящем слоем» продукта путем ведения абсорбции хлористого водорода циркулирующим маточным раствором хлористого аммония.
Впервые получены данные по физико-механическим свойствам (угол естественного откоса, насыпная масса, коэффициент текучести) десятиводного тринатрий-фосфата, семиводного динатрийфосфата, одно- и безводного мононатрийфосфата.
Выполненными исследованиями теоретически обосновано новое актуальное направление в области энергосберегающих циркуляционных технологий концентрированных фосфатов натрия без применения упарки растворов и хлористого аммония из отходящих газов огневого обезвреживания хлорсодержащих отходов получения хлоркарбоновых кислот.
Практическая значимость.
На основании выполненных исследований предложены новые технологии: де-сятиводного тринатрийфосфата, семиводного динатрийфосфата, безводного монона-трийфосфата, хлористого аммония и соляной кислоты из газов огневого обезвреживания хлорсодержащих отходов, технология получения фосфатных растворов при огневом обезвреживании фосфорных шламов.
Выданы исходные данные на проектирование производства концентрированных фосфатов натрия мощностью 6000 т/год десятиводного ТНФ, 2700 т/год семиводного ДНФ и 1600 т/год безводного МНФ.
Выданы исходные данные на проектирование участка хлористого аммония из печных газов огневого обезвреживания хлорсодержащих отходов производства мо-нохлоруксусной кислоты мощностью 8500 т/год 31,5 % соляной кислоты и 6000 т/год хлористого аммония.
Реализованы на практике технологии: десятиводного тринатрийфосфата, семиводного динатрийфосфата и технология переработки фосфорного шлама цеха красного фосфора в раствор фосфатов натрия.
Новизна предложенных технологий подтверждена 4 патентами России.
Личный вклад автора. В диссертации изложены обобщенные результаты работ, выполненных в течение 19 лет лично автором или в соавторстве с сотрудниками и студентами. Личный вклад автора заключается в непосредственном выполнении значительной части экспериментальных исследований, в математической обработке результатов и выводов, в постановке основных задач и обосновании способов их реализации, в личном участии в разработке исходных данных на проектирование новых производств, курировании монтажа и в организации опытных и опытно-промышленных отработок технологий. Основная часть научных публикаций в соавторстве написана непосредственно автором. Доклады работ на конференциях подготовлены под руководством автора либо доложены им лично.
Основные научные положения и результаты, выносимые на защиту.
-
Принцип обеспечения энергосбережения при получении концентрированных растворов путем использования циркуляции растворов.
-
Результаты экспериментального исследования кинетики растворения карбоната натрия в растворах динатрийфосфата, равновесия и технологических условий получения концентрированных содовых суспензий;
-
Результаты теоретического и экспериментального исследования закономерностей кристаллизации концентрированных фосфатов натрия различной заме-щенности и хлористого аммония, равновесия, пересыщений в растворах и но-
вые сведения по свойствам образующихся растворов и физико-механических свойств продуктов;
-
Решение по интенсификации процесса очистки газов обезвреживания экологически опасных отходов фосфорного шлама с использованием циркуляции растворов фосфатов и результаты применения его на действующей установке;
-
Результаты экспериментального исследования влияния технологических параметров на массопередачу при абсорбции оксидов фосфора циркулирующими растворами динатрийфосфата и абсорбции хлористого водорода и аммиака циркулирующим раствором хлористого аммония в кожухотрубчатых графитовых и насадочных абсорберах;
-
Новые энергосберегающие циркуляционные технологии мононатрийфосфата безводного, динатрийфосфата семиводного, тринатрийфосфата десятиводного и технологические режимы их производства;
-
Новую энергосберегающую циркуляционную технологию хлористого аммония из печных газов огневого обезвреживания хлорсодержащих отходов и технологический режим производства.
Методы исследований. В ходе выполнения работы были использованы методы аналитического и физико-химического определения (фотоколориметрия и спек-трофотометрия растворов, хроматография газов, дериватография, метод атомно-абсорбционного и рентгенофазового анализа), включенные в ГОСТы и ТУ на соответствующие продукты и отраслевые методики и приборы.
Достоверность полученных результатов подтверждается воспроизводимостью экспериментальных данных при исследовании. Достоверность теоретических обоснований и выводов проверена и подтверждена результатами испытаний на стендовых установках и последующих отработок предложенных технологий и технических приемов на опытных и опытно - промышленных установках.
Апробация работы. Основные положения работы доложены и обсуждены на 1 и 2 областном конкурсе инновационных проектов 2006 и 2007 годов (г. Нижний Новгород); международной научно-технической конференции «Информационные технологии в науке, образовании и производстве» (г. Орел, 2012 г.); III - XI международных научно - технических конференциях «Будущее технической науки» (Н.Новгород 2004 - 2012 гг.); VII межвузовской научно-методической конференции «Современные проблемы фундаментального образования» (Йошкар-Ола, 2006 г.), IV Общероссийской научной конференции «Студенческий научный форум 2012», Международной молодежной научной конференции ; I-IX региональных научно-технических конференциях «Молодежь города - город молодежи» (г. Дзержинск 2007-2012 гг); на кафедре ТНВ Дзержинского политехнического института в 1994 - 2005 годах; на совместном научно - техническом совете ООО «Полихимсервис» и ООО «Волгаоргхим» в 2009-2011 гг.
Публикация результатов работы. Материалы диссертации опубликованы в 10 статьях в рецензируемых журналах и в 4 патентах России. Более 30 статей опубли-
ковано в отраслевых сборниках, трудах, в материалах международных и всероссийских конференций.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 7 глав, выводов и приложений к работе. Работа изложена на 320 страницах, включает 104 рисунков, 45 таблиц. Список литературы содержит 203 наименования.
