Введение к работе
Актуальность. Работа посвящена разработке и анализу научных основ организации заключительных стадий (выделение, разделение суспензий, удаление примесей, сушка) производства полупродуктов органических красителей (ПОК) с целью обеспечения высокого качества продуктов, снижения энергозатрат, возврата побочных продуктов в технологический процесс, повышения рентабельности производства и социально-экономической эффективности мероприятий по защите окружающей среды.
Производства ПОК являются многостадийными с применением сложных технологий и большого количества сопутствующих веществ, например: наполнителей различной химической природы; защитных коллоидов и диспергаторов; средств для пропитки; выравнивателей, регулирующих скорость сорбции красителей; средств, повышающих стойкость окраски; средств, препятствующих сорбции красителей определенного класса; электролитов, восстановителей, окислителей и т.д.
В работе рассматриваются особенности технологических процессов и оборудования для получения выпускных форм ПОК, используемых для синтеза пигментов и красителей.
Процессы заключительных стадий в анилинокрасочной промышленности во многом определяют качество товарного продукта. Требования, предъявляемые к ПОК по аналитическим показателям (содержание целевого вещества и примесей) при низкой термостойкости высушиваемых продуктов, различной диспергируемо-сти, склонности к агломерированию и высокой стоимости, вызывают необходимость всестороннего исследования и экспериментального изучения процессов заключительных стадий производства различных ПОК.
Традиционное применение ПОК в виде паст и растворов для синтеза пигментов и красителей предполагало решение проблемы обеспечения качественных показателей продуктов на стадиях переработки ПОК в пигменты и красители. В последние годы возрос спрос на ПОК в сухом виде, что привело к ужесточению требований не только к качественным показателям, но и к их выпускной форме. В частности, ПОК должны быть в порошкообразном виде непылящей формы с максимальным содержанием целевого продукта и минимальным содержанием примесей
Таким образом, формирование структуры заключительных стадий производств, гарантирующих получение ПОК с заданными свойствами, соответствующими современным требованиям, определило приоритетную задачу разработки технологии и аппаратурного обеспечения процессов заключительных стадий производств.
Работа выполнена в соответствии со следующими планами научно-исследовательских работ' координационный план АН СССР по направлению «ТОХТ» «Исследование массо- и теплопереноса в процессах с твердой фазой (сушка, адсорбция, массообмен, мембранные процессы)» на 1981 -1985 гг., код 2.27.2.8.9.; планы научно-исследовательских работ Тамбовского института химического машиностроения (ТИХМ) на 1981 - 1985 гг. «Разработка методов и систем измерения коэффициентов тепло- и массопереноса»; координационный план АН СССР по направлению «ТОХТ» «Исследование гидродинамики и тепломассообмена в процессах сушки, адсорбции, экстракции и электродиализа» на 1985 - 1990 гг, код 3.21.003; план научно-исследовательских работ Тамбовского государственного технического университета по комплексной научно-технической программе «Перспективные яцфг»рчапиг"""-"* и-утш^ші.. Р ,,,,/-„.„а шк0-
спек*** чаи
09 wa^ шшг'Ц 7\
ле» на 1991 - 1995 гг.; координационный план АН СССР по направлению «ТОХТ» «Создание эффективного оборудования для совмещенных процессов сушки и термообработки» на 1991 - 1995 гг., код 2.27.2.8 12; единый наряд-заказ Министерства образования РФ по теме «Разработка теоретических основ расчета и конструирования аппаратов и технологических узлов гибких автоматизированных установок химических и микробиологических производств» на 1998 - 2000 гг.; научно-техническая программа Министерства образования РФ «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» и подпрограмма 203 «Химические технологии» на 2001 - 2003 гг.; программа «Теоретические основы создания энергоресурсосберегающих процессов и оборудования гибких автоматизированных производств органических полупродуктов и красителей, при наличии неопределенности исходной информации» на 2003 - 2004 гг. и хоздоговорные планы НИР ТГГУ (1985 - 2005).
Цель работы. Разработка, анализ, инженерная интерпретация, опытно-промышленная проверка и внедрение в производство научных основ организации заключительных стадий (выделение, разделение суспензий, удаление примесей, сушка) производства полупродуктов органических красителей.
Объекты и диапазон исследований. Для обеспечения надежности результатов исследований и разработки методологии предлагаемой концепции организации заключительных стадий производства ПОК были выбраны:
1) представительные комплексы объектов исследований:
- из группы производных пиразолона- 1-фенил-3-метилпиразолон-5 (ФМП),
1 -(4'-сульфофенил)-3-метил-пиразолон-5 (ПСФМП), 1 -(4'-толил)-3-метил-пиразо-
лон-5 (ПТМП):
из группы производных нафталина — дикалиевая соль-6,8-дисульфо-р-нафтола (Г-соль), динатриевая соль-3,6-дисульфо-Р-нафтола (Р-соль), 2-амино-6-нафтол-7-сульфокислота (И-кислота), 1 -диазо-2-нафтол-6-нитро-4-сульфокислота (нитродиазоксид), 2-амино-8-нафтол-6-сульфокислота (Гамма-кислота), 2-нафти-ламин-1 -сульфокислота (амино-Тобиас-кислота);
из группы производных бензола - парафенилендиамин, сульфанилат натрия, 4-толуидин-З-сульфонат натрия;
из группы производных ацетоуксусной кислоты - ортохлоранилид ацето-уксусной кислоты (ОХА АУК), анилид ацетоуксусной кислоты (анилид АУК), ор-тоанизидид ацетоуксусной кислоты (ортоанизидид АУК), метоксилидид ацетоуксусной кислоты;
из группы производных стильбена - 4,4'-диаминостильбен-2,2'-дисульфо-кислота (ДАС или ДС-кислота), 4,4'-динитростильбен-2,2'-дисульфокислота (ДНС-кислота);
из группы производных антрахинона - Дисперсный розовый 2С.
-
метод выделения целевого продукта - кристаллизация из растворов и расплавов;
-
методы удаления водорастворимых примесей - кристаллизация и в поле центробежных сил;
-
методы сушки ПОК - интенсивные методы сушки с учетом термоустойчивости ПОК.
Научная новизна. В соответствии с поставленной целью, впервые с учетом специфики производства ПОК предложены и научно обоснованы современные способы организации заключительных стадий, состоящие в комплексном усовер-
--.,= !.. ,. . ... ,
2 I i3, г ,.
шенствовании процессов выделения целевого продукта, удалении водорастворимых примесей, сушке паст, целенаправленном использовании кинетических закономерностей этих процессов для изменения технологии заключительных стадий производства ПОК.
Создана методология выбора оборудования заключительных стадий производства ПОК на базе основных положений теории массопереноса и комплексных теоретических и экспериментальных исследований процессов кристаллизации водорастворимых примесей из многокомпонентных растворов суспензий и сушки с использованием данных термовлажностных характеристик и учетом классификации ПОК по их термостабильности; разработаны теоретические основы совмещенного процесса выделения целевого продукта и удаления водорастворимых примесей из многокомпонентных суспензий ПОК методом кристаллизации в поле центробежных сил.
Разработаны методы и установки для экспериментального исследования:
а) возможности совмещения процессов осаждения частиц целевого продукта
суспензии, кристаллизации водорастворимых примесей и осаждения кристалло
гидратов примесей в поле центробежных сил в одном технологическом аппарате;
б) равновесных концентраций водорастворимых примесей в многокомпо
нентных растворах суспензий;
в) закономерностей тепломассообмена процесса сушки и скалывания про
дукта на одиночной частице инертного носителя;
г) эффективной вязкости виброкипящих слоев ПОК по силе сопротивления,
оказываемой перемещению в слое шарообразной частицей;
д) диэлектрических и кинетических характеристик процесса сушки при мик
роволновом способе подвода тепла.
С учетом специфики производства ПОК решена задача выбора сушильного оборудования, обеспечивающего высокие качественные показатели продукта в условиях энергосбережения. Предложены и экспериментально проверены уравнения для оценки и прогнозирования значений убыли целевого продукта ПОК при термическом воздействии (сушке) в зависимости от кинетических (Vй") и энергетических (ЛУ"3") характеристик процессов, приводящих к снижению концентрации ПОК, и получены функции единого типа, связывающие кинетические и энергетические характеристики со значением убыли целевого компонента для сушилок различных типов. Впервые доказано, что использование функциональных зависимостей, характеризующих скорость убыли содержания целевого компонента органического полупродукта при его термической обработке гарантирует обоснованность выбора сушильного аппарата и технологических параметров проведения процесса.
Предложены критериальные уравнения для описания кинетики процесса кристаллизации водорастворимых примесей из суспензий ПОК в поле центробежных сил, обеспечивающем высокое качество целевого продукта. Доказана целесообразность применения экспериментально-статистических методов для получения моделей процесса удаления (кристаллизации) водорастворимых примесей из многокомпонентных суспензий ПОК Разработаны математические модели для расчета технологических параметров процесса удаления (кристаллизации) водорастворимых примесей из многокомпонентных суспензий ПОК при изогидрической кристаллизации и кристаллизации в поле центробежных сил Предложены математические модели расчета технологических параметров процесса сушки наиболее
перспективными для ПОК методами (с активными гидродинамическими режимами), позволяющие для повышения точности расчета учитывать: опенку термической устойчивости ПОК, неоднородность гранулометрического состава твердой фазы, изменение степени перемешивания и скорости перемещения материала
Практическая значимость и реализация результатов работы. На основе теоретических, экспериментальных и опытно-промышленных результатов исследований процесса кристаллизации водорастворимых солей из суспензий ПОК созданы и внедрены в ОАО «Пигмент», г. Тамбов новые конструкции кристаллизаторов с использованием изогидрического способа создания пересыщения и в поле центробежных сил, обеспечивающие получение продукта с концентрацией по целевому компоненту 98 % в сухом виде (в существующем производстве - 90 %), снижение содержания водорастворимых примесей с 7 до 1 % в целевом продукте и в сточных водах с 12 до 4 % и получение сульфата натрия в кристаллогидратной форме, используемого в качестве вторичного сырья; разработаны инженерные методики технологического расчета кристаллизаторов емкостного типа и центрифуги-кристаллизатора и переданы для использования в конструкторские отделы ОАО «Пигмент», г. Тамбов; НИИхимполимер, г Тамбов; ФГУП ТамбовНИХИ; ОАО «Волжский завод органического синтеза»; разработана классификация ПОК по термостойкости, обеспечивающая возможность выбора эффективного метода сушки и его аппаратурного оформления, гарантирующего максимальную сохранность целевого компонента. Для продуктов пиразолонового ряда и класса арили-дов достигнуто снижение удельных энергозатрат в 2,5 раза по сравнению с имеющимся оборудованием; для ПОК, производных нафталина (Р-соль, Г-соль, Гамма-кислота, И-кислота, Аш-кислота) достигнуто снижение удельных энергозатрат в 1,5-2 раза.
Результаты исследований и инженерные методики расчета используются в учебном процессе химико-технологических специальностей.
Правовая защищенность разработок обеспечивается 12-ю авторскими свидетельствами и патентами РФ на изобретение.
На защиту выносятся. Концепция организации заключительных стадий (выделение целевого продукта, разделение суспензий, удаление примесей, сушка) производства ПОК, обеспечивающая высокое качество продукта в условиях энергосбережения. Математические модели для оценки убыли целевого вещества при термическом воздействии и методика численного определения значений кинетических и энергетических характеристик процесса термодеструкции. Уравнения для прогнозирования значений убыли целевого компонента для конкретного типа ПОК. Классификация ПОК по термической устойчивости, обеспечивающая возможность выбора процесса сушки и его аппаратурного оформления. Математические модели, описывающие кинетику процесса удаления водорастворимых примесей из суспензий ПОК при изогидрической кристаллизации и в поле центробежных сил. Математические модели процессов сушки паст ПОК на инертном носителе, в виброаэрокипящем слое и в плотном слое с подводом СВЧ-энергии Результаты экспериментальных исследований процесса кристаллизации водорастворимых солей из многокомпонентных растворов суспензий. Совмещенный процесс разделения суспензий ПОК и кристаллизации водорастворимых солей в поле центробежных сил. Способ снижения концентрации водорастворимых примесей в сточных водах производства ПОК за счет перевода их в твердую фазу кристаллизацией и дальнейшего использования в качестве вторичного сырья.
Апробация работы. Настоящая работа является законченной самостоятельной частью исследований, проведенных при научных консультациях профессора В И Коновалова Она обобщает комплекс работ, выполненных при участии коллег и аспирантов кафедры, в том числе аспирантов, выполнявших исследования под руководством автора- К.В Брянкин (1997), П.А Фефелов (1998), СЮ Чупрунов (1999), Л.Н. Чемерчев (2000), С.В Каретников (2002), А.Н Утробин (2003), B.C. Орехов (2003).
Основные положения диссертации докладывались на 3-й традиционной научно-технической конференции стран СНГ «Процессы и оборудование экологических производств» (Волгоград, 1995); 2-й международной теплофизической школе «МТФШ-2» (Тамбов, 1995); 3-й региональной научно-технической конференции «Проблемы химии и химической технологии» (Воронеж, 1995); 2-й научной конференции ТТТУ (Тамбов, 1995); республиканской научно-технической конференции (Минск, 1995); 5-й региональной научно-технической конференции «Проблемы химии и химической технологии Центрально-Черноземного региона Российской Федерации» (Липецк, 1997); международной научно-технической конференции «Прогрессивные технологии и оборудование для пищевой промышленности» (Воронеж, 1997); международной конференции «Пищевая промышленность-2000» (Казань, 1998); международной конференции «Теория и практика фильтрования» (Иваново, 1998); 12-й международной конференции молодых ученых по химии и химической технологии «МКХТ-98» (Москва, 1998); международной научно-технической конференции «Автоматический контроль и автоматизация производственных процессов» (Минск, 1998); 3-й международной теплофизической школе «Новое в теплофизических свойствах» (Тамбов, 1998); научно-технической конференции «Экология-98» (Тамбов, 1998); 6-й региональной научно-технической конференции «Проблемы химии и химической технологии» (Воронеж, 1998); VII региональной научно-технической конференции «Проблемы химии и химической технологии» (Тамбов, 1999); International Exhibition - Congress on Chemical Engineering, Environmental Protection and Biotechnology «ACHEMA 2000» (Frankfurt am Main, Germany, 2000); VI научной конференции ТТТУ (Тамбов, 2001); международной научно-практической конференции «Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и термовлажностная обработка материалов)» (секция 3: Технология сушки, расчет и проектирование сушильных установок) (Москва, 2002); VII научной конференции ТГТУ (Тамбов, 2002); X Российской конференции по теплофизическим свойствам веществ (Казань, 2002); 13-th International Drying Symposium «Drying-2002» (Beijing, China, 2002); VIII научной конференции ТТТУ (Тамбов, 2003); международной научно-технической конференции «Автоматический контроль и автоматизация производственных процессов» (Минск, 2003), the Twelfth International Symposium «ECOLOGY-2003» (Bourgas, Bulgaria, 2003); XI российской конференции по теплофизическим свойствам веществ (Санкт-Петербург, 2005); VII международной научной конференции «Теоретические и экспериментальные основы создания новых высокоэффективных процессов и оборудования» (Иваново, 2005); II международной научно-практической конференции «Совеременные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и тепловые процессы)» СЭТТ-2005 (Москва, 2005).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 93 работы, из которых авторских свидетельств и патентов - 12.
Структура работы. Диссертация содержит введение, 7 основных глав, выводы, список литературы, включающий 323 источника, отдельный том приложения из 7 разделов. Всего в работе 303 страницы основного текста, 61 рисунок и 69 таблиц.
