Введение к работе
/
Диссертация является обобщением результатов научно-исследовательских работ в области расчета и проектирования химических реакторов для различных производств органического синтеза, выполненных в период 1972-2002 гг.
Актуальность работы. Повышение технико-экономических характеристик существующих процессов и аппаратов, как одно из направлений научно-технического прогресса, возможно только на основе глубокого анализа физико-химических процессов, происходящих в химических реакторах. Среди этих процессов перемешивание занимает особое место, так как оказывает влияние на скорость химического процесса и качество получаемого продукта (при проведении сложных реакций) и переходные процессы в реакторе.
Значительная часть промышленных химических процессов, несмотря на продолжительный опыт эксплуатации, остается мало изученной. Недостаток знаний по химической кинетике, особенно в области концентраций реагентов соответствующих условиям экономически целесообразной эксплуатации оборудования, ограничивает возможности эффективного управления реакторами, не позволяет реализовать потенциал химических реакций и заставляет прилагать значительные усилия для расширения знаний по кинетике промышленных химических процессов. Параллельно возникает необходимость разработки математической модели кинетики химического процесса.
Процесс перемешивания в аппаратах с мешалками, в настоящее время, изучен с точки зрения создания в аппарате заданной степени однородности, оценки влияния распределения времени пребывания и условий перемешивания на ход химического процесса. Однако эти знания в большей степени полезны для анализа влияния различных факторов на характеристики химического процесса, но оказываются мало пригодными для синтеза реактора с заданными характеристиками.
Все вышеизложенное определяет научную и практическую актуальность данной работы.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с Комплексной научно-технической программой Минвуза РСФСР «Человек и окружающая среда» (приказ Минвуза РСФСР № 599 от 15.10.81 по проблеме «Экологическая технология»); целевой программой ОЦ-039 «Развитие техники и технологии добычи и обогащения полезных ископаемых и внедрение циклично-поточной технологии в горных работах (этап 09.12.М10)»; федеральной целевой программой «Топливо и энергия» (постановление правительства РФ № 1263 от 06.03.96 г.); по хоздоговорам с промышленными предприятиями г.г. Волжского, Волгограда.
Цель работы Разработка методологии исследования, обработки и анализа кинетики химических процессов в области концентраций реагентов, соответствующих экономически целесообразной эксплуатации-оборудования: методоло-
гии синтеза реакторов с турбинными и лопастными мёшаЙ^|^"|щгывав|щей
і спетервург „.„ |
\ 09 *$нФА
влияние перемешивания на показатели химического процесса и позволяющей создавать аппараты с заданными характеристиками.
Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:
проведены исследования кинетики ряда химических процессов органического синтеза в условиях, соответствующих условиям промышленной эксплуатации и разработана методология создания математической модели кинетики химического процесса;
разработана методология оценки влияния перемешивания в аппаратах с мешалками на распределение времени пребывания и состояние перемешанно-сти входных потоков реагентов;
исследовано влияние перемешивания реагентов на макро- и микроуровне в аппаратах с мешалками и статических смесителях и экспериментальное определены условия предварительной перемешанности входных потоков реагентов;
разработана методология проектирования реакторов с мешалками с учетом влияния условий перемешивания на ход химического процесса и выбора технологии перемешивания применительно к условиям реализации химического процесса;
разработаны математические модели реакторов, осуществлено моделирование и инженерная оптимизация промышленных процессов получения: химикатов-добавок к резинам и каучукам (тиурамы, сульфенамиды, алкилфено-ламинной смолы октофор-Na); флотореагентов (ксантогенаты и тиоацилани-лид); цианистого водорода; компонента добавок к моторным топливам (N-монометианилина-ММА); эмульсионной полимеризации винилхлорида; реа-гентной очистки сточных вод производств защитных покрытий и печатных плат.
Научная новизна. Результаты комплекса выполненных теоретических и экспериментальных исследований составили научные основы аппаратурного оформления химических процессов органического синтеза, сопровождаемых перемешиванием, анализа кинетических закономерностей, разработки конструкций реакторов.
Предложен и научно обоснован предложен метод обработки и анализа кинетической информации, полученной при концентрационных условиях соответствующих, промышленной реализации процесса, учитывающий наиболее значимые факторы влияющие на ход химического процесса и позволяющий получить адекватное описание кинетики процесса при ограниченной информации.
Разработана методика количественной оценки влияния условий перемешивания на интегральные показатели химического процесса и предложен количественный критерий такой оценки.
Проведены экспериментальные исследования кинетики различных химических процессов, жидкофазных и гетерогенных, позволившие применить разработанную методологию обработки и анализа кинетической информации для создания математических моделей кинетики и математических моделей реакторов.
На базе экспериментальных исследований по перемешиванию жидких сред
в аппаратах с перемешивающими устройствами разработан метод количественной оценки эффективности перемешивания, применимый в широком диапазоне изменения объема промышленных аппаратов.
Разработаны конструкции статических смесителей и выполнены экспериментальные исследования по оценке эффективности их использования для перемешивания реагентов.
Предложены и проработаны различные технологии перемешивания реагентов, обеспечивающие необходимое качество перемешивания реагентов и адаптируемые к конкретным условиям реализации химических процессов.
Разработана методология проектирования химических реакторов, применимая для интенсификации действующих производств и проектирования новых.
Практическая ценность. Разработанные методы исследования, проектирования и интенсификации химических процессов использованы для оптимизации промышленных процессов на ОАО «Волжский оргсинтез» в производствах цианистого натрия (реактор синтеза цианистого водорода с экономическим эффектом - 32,5 млн. руб.), основного компонента добавки к моторным топливам (реактор синтеза N-метиланилина), ускорителей вулканизации (реакторы синтеза тиурамов Д и Е, сульфенамидов М и Т с экономическим эффектом - 233 тыс. руб. СССР), флотореагентов (реактор синтеза ксантогенатов), при проектировании производства тиоациланилида (реактор синтеза тиоацила-нилида с экономическим эффектом - 92 тыс. руб. СССР), при разработке технологии и эксплуатации производства алкилфеноламинной смолы октофор-Na (реактор синтеза).
Метод исследования кинетических закономерностей химических процессов использован для анализа и моделирования жидкофазяых и газофазных каталитических процессов, таких как синтез цианистого водорода и монометила-нилина, синтез тиурамов, эмульсионная полимеризация винилхлорида, восстановление шестивалентного хрома и других.
Апробация работы. Результаты работы доложены на Всесоюзных конференциях «Химреактор-5» (г. Уфа, 1974) и «Химреактор-8» (г. Чимкент, 1983); на Всесоюзных научно- технических совещаниях «Пути совершенствования , интенсификации и повышения надежности аппаратов в основной химии» (г. Сумы 1980, 1982, 1986); на 7-ой Всесоюзной научно-технической конференции «Синтез и исследование эффективности химикатов для полимерных материалов» (г. Тамбов, 1982); на Всесоюзной научно-технической конференции «Методы кибернетики химико-технологических процессов» (г. Москва, 1984); на 16-ой Всесоюзной конференции по химии и технологии органических соединений серы и сернистых нефтей (г. Рига, 1984); на Всесоюзной научной конференции «Повышение эффективности, совершенствование процессов и аппаратов химических производств» (г. Харьков, 1985); на Всесоюзной конференции по теории и практике перемешивания в жидких средах (г. Ленинград, 1986); на Всесоюзной научно-технической конференции «Интенсивные и безотходные технологии и оборудование» (г. Волгоград, 1991); на 2-ой региональной научной конференции «Проблемы химии и химической технологии»
' (г. Тамбов, 1994); на 3-ей межреспубликанской научно - технической конференции «Процессы и оборудование экологических производств» (г. Волгоград, 1995); на Международных конгрессах по инженерной химии, проектированию и автоматизации химико-технологических процессов («CHISA», Чехословакия, Чехия, г. Прага, 1984, 1990, 1996, 2000, 2002); на 6-ой Европейской конференции по перемешиванию («MIXING», Италия, г. Павия, 1988); на международной научно-технической конференции «Экология химических производств» (Украина, г. Северодонецк, 1994); на Международном симпозиуме «Экология, жизнь, здоровье» (г. Волгоград, 1996 ); на международном экологическом конгрессе "International Ecological Congress" (г. Воронеж, 1996); на международной научно - технической конференции «Международное сотрудничество в области архитектуры, строительства и охраны окружающей среды» (Турция, г. Ке-мер, 1997); на 5-ой Международной конференции «Методы кибернетики химико-технологических процессов» (г. Казань, 1999); на международной научно-практической конференции «City, ecology, construction» (Egypt, Cairo, 1999)
Объем работы. Диссертация изложена на 370 страницах машинопис-
ного текста и состоит из введения, семи глав, выводов, списка литературы и
приложений. Работа содержит 253 страниц основного текста, 81 рисунок,
91 таблицу и 328 библиографических ссылок.
