Введение к работе
Актуальность п?облеиы. Научно-технический прогресс в развитии ведуших отраслей промышленности неразрывно связан с научными и практическими достижениями в области производства материалов химической, нефтехимической, микробиологической и других отраслей промышленности. В ближайший период наиболее актуальными будут разработка связанные с созданием высокоэффективных технологий, с интенсификацией действующих производств при одновременной решении задач по повышению качествен-' ных характеристик производимых материалов. Применение в промышленности прогрессивных технологий предопределяет повышение качества, расширение областей применения и рост объемов выпуска материалов, производимых в различных отраслях химической, нефтехимической, микробиологической промышленности.
однако в последние десятилетия в отечественной химической промышленности наблюдается существенное отставание от передовых зарубежных технологий, Это объясняется тем, что апларатур-но-технологическое ибеспечение отрасли морально и Физически устарело, сокращены капитальные вложения, а эффективность реальных небольших капиталовложений является очень низкой, это характерно как для крупнотоннажных отрасей, таких как производство ми.чудобрений, производство хлора и каустика, так и для малотоннажной химии, в частности, для лакокрасочной ^"отрасли. Выпускаемая продукция перестала соответствовать мировым стандартам качества, а модернизация производств и замена изношенного оборудования или вообшэ не проводится, или проводится путем отдельных закупок импортного оборудогания и технологий часто не самого високого качества.
Поэтому встал вопрос о модернизации производств не только за счет полной замены оборудования, но и за счет-научно-обоснованных проектных л аппаратурно-технологических решений по повышению эффективности отдельных ключевых, ЛИНИТИРУВШИХ в?сь технологический пр"';есс стадий.
Под основными .--^ментам;; прогрессивной технологии, обес-печиЕаЮпей высокую эффективность производств понимается: обеспечение стабильности характеристик сыр»я (химического состава, содержания примесей и т. п.); увеличение выхода продукции с одновременным повышением ее качества; снижение энерго и трудозатрат, а также металлоемкости аппаратов; оезс-.ечение экологической полноценности производств, полной утилизации отходов или бсзетходности И ДР.
В настояшее время автором с сотрудниками- накоплен и оеоб-
-іг-
шен передовой опыт в повышении эффективности процессов химической промышленности и в применении основополагающих общих принципов к конкретным классам процессов как в крупнотоннажных отраслях, так и в малотоннажной химии.
К важнейшим, методологическим приемам в решении задач повышения эффективности технологических процессов и систем относятся: организация внутренних и внешних контуров рециркуляции» позволяющих оптимальным путем комбинировать зоны идеального перемешивания и вытеснения; широкое использование аппаратов с Фоктанирувпин к гидроФонтанным режимами, т. е. аппаратов с активным гидродинамическим режимом; определение оптимальных мест и сгособів ввода реагентов в циркуляционную систему; интенсификация перемешивания в аппаратах, особенно крупногабаритных, за счет создания внешних и внутренних контуров рециркуляции; оптимизация структурных схем аппаратов и установок, охваченных рециклами и др.
Эти и некоторые другие приемы и методы повышения эфектив-ности химических производств обобщены в предлагаемой работе, являются весьма актуальными и представляют совокупность науч-нообоснованнкх технических решений, внедрение КОТОРЫХ вносит значительный вклад в ускорение научно-технического прогресса в химической и смежных отраслях промышленности.
Отдельные части работы выполнялись как по государственным' программам, например, в соответствии с целевой программой Oil' ОСН, так и (особенно в последние годы) по заданиям отдельных отраслей и предприятий, а также по личной инициативе.
Цель работы. Систематизировать существующие и разработать новые методы повышения эффективности широкого класса гетеро-Фазных процессов типа "жидкость-твердое", "газ-твердое", "газ-жидкость-твердое", а также гоноФазных процессов, обращая особое внимание на важную роль в повышении эффективности организации как внутренней, так и внешней рециркуляции потоков.
'основываясь на уже достигнутых результатах теории рециркуляционных систем, разработать новые аспекты этой теории в теской связи с концепцией распределения элементов потоков по времени пребывания в аппарате и использовать эти результата при решении задач ковышения эффективности как отдельных аппаратов, так и технологических схем в делом.
Сформулировать, теоретически обосновать и дать решение практических задач оптимальной организации структуры потоков, выбора иеста ввода и вывода реагентов, а также конструктивного оФорнлєния технологических аппаратов для обеспечение высокой эффективности их функционирования.
Реализовать разработанные методики для повыкения эффективности работы химико-технологических процессов и систем в различных отраслях химической и смежных отраслях проккзлеянос-ти.
Научная новизна. Для аппаратов с рециклом развиты новые аспекты концепции распределения времени пребывания элементов потоков в аппаратах, состоящие в том, что учет наличия в рецикле зон определенных объемов существенно изменяет выводы о распределении времени пребывания и характере перемешивания потоков в реииркуляиисняой системе по сравнению- с существующими методами расчета систем с рециклом. Учет этих зон позволяет сформулировать обобиенный подход к моделированию клзсса систем, в которых перемешивание организовано с помошью рецикла, таких как гипроФонтанные аппараты- сушильные аппараты-, циркуляционные кристаллизаторы, растворители и т. п.
Установлено, что зависимость безразмерной дисперсии ё& от величины рецикла R для трехзонной комбинированной модели с рециклом носит экстремальный характер, что позволяет в каждом конкретном случае организации хтп подобрать такие соотношения параметров (объемов аппаратов, отдельных зон и величин рецир-кулируюших потоков), которые обеспечивают наивысшую эффективность работы технологического оборудования.
Быполнен математический анализ явления внутренней циркуляции потоков в технологических аппаратах с позиций теории вихревого движения сплошной среды. На основе представлений многоскорсстных континуумов сформулирована замкнутая система уравнений, включаіозая уравнение для вихря сплошной Фазы, уравнение для Функции тока, уравнение негазрывности. 3 результате численного репекия системы уравнений определены значения Функции тока v. викря по высоте и.радиусу кристаллизатора, лоле скоростей сплошной Фазы по объему аппарата, значение порознос-ти по высоте и радиусу аппарата. Получение с позиций механики сплошных сред математическое описание явления еііутрєннєй циркуляции на основ-' теории вихревого движения сплошной среды является обобщавши-! и универсальным и, вместе с ра?*аботаы:ой разностной схемой решения, -пригодным для моделирования и расчета крупнотоннажных аппаратов путем машинного расчета перехода от лабораторных и стендовых установок к промышленным аппаратам, минуя длительную и дорогостоящую стадию опытно-промыш-ленныу. испытаний на укрупненных установках.
Быполнен теоретический анализ взаимосвязи *.влений сегрегации и рециркуляции потоков и дана интерпретация иикросмеше-ния с использованием циркуляционной модели, исследовано влия-
жт сегрегации на расчетную скорость и полноту химического превращения, а также эффективность тепломассообмена в гетерогенных полидисперсных системах "жидкость-твердое", "жидкость-жидкость". Подчеркивается, что неучет эффектов сегрегации может быть причиной сушественных ошибок при расчете и проектировании реакторов.где протекают химические реакции и процессы тепло- и массспереноса между сплошной и дисперсной Фазами.
Разработана методика оценки эффективности работы аппаратов с рециклом при проведении в них массообменных процессов. Установлено, что эффективность работы массообменных аппаратов с внешними и внутренними циркуляционными контурами, икеншни в этом контуре некоторый сбьем, зависит от соотношения обьемов. находящихся в прямой линии и в рецикле, и от величины РЄПИРКУ-лируюшего потока, эгэ позволяет подобрать такие соотношения параметров (соотнопения обьемов аппаратов или зон и величины рециркулирующих потоков), которые обеспечивают наивысшую эффективность работы оборудования при соответствующих технологических и Физикогхимических ограничениях процесса, таких как температурный режим, условия псевдоожижения и т.п.
Тот Факт, что расчетное среднее время пребывания потока в циркулирующей системе зависит от места ввода трассера, позволил сделать вывод, что в аппаратах с циркуляцией потоков ото' наблюдается практически всегда при перемешивании Фаз в аппаратах большого объема) степень превращения зависит от места ввода реагентов в систему. Таким образом, при разработке такой аппаратуры требуется учитывать еше один Фактор - точку ввода реагентой, причем этот Фактор сказывается даже в линейных системах, т. е. при реакциях первого порядка. В частности, показано, что максимальная степень преврашенкя реагентов в проточных циркуляционных системах достигается при наибольшем разносе точек ввода твердого реагента от точки вывода потока.
Исследованы пути повышения эффективности работы жидкостных гои'оФзз'яка: реакторов с рециклом за счет оптимальной организации структуры потоков и выбора рационального оформления аппаратов. Создание организованной гидродинамической обстановки при поиоеи' выносного циркуляционного контура в аппаратах большой единичной моености позволяет добиться хорошего перемешивания реагентов при выводе на'оптимальный технологический режим процессов синтеза смол, когда время смешения значительно меньше скорости реакпий.
Практическая значимость работы и реализация научных' исс-ледований. На ссксезжй исследования гидродинамики и кинетики
пропесса экстракции хлоридов натрия и калия из алюминийсодер-жааего сырья ("отвальные шлаки") в производстве оксихлорида алюминия (ОХА) выполнен расчет и выданы исходные данные на проектрйование - высокоэффективного экстрактора. На основании технического проекта на скорпусковом 03 создана и внедрена в производство опытно-промышленная установка экстракции алюни-кийсодержаыего сырья для получения ОХА и его синтеза, что позволило заложить основы малоотходной технологии по переработке "отвальных шлаков" - солевых алюминийсодержащих отходов заводов цветной металлургии.
Разработано высокоэффективное аппаратурное оформление и выполнен проектный расчет аппаратов для растворения хлорида натрия в производстве хлора и каустической соды производительностью от б до 40 т/ч по твердой Фазе, позволяющих использовать сырье с содержанием нерастворимых до 10. с выгрузкой и отмывкой шламов без остановки основного оборудования. В хлорной подотрасли установки растворения обратной соли заложены' в технологические проекты нормализованного ряда' выпарных систем мощностью от 60 до зоо тыс. т/г по 100'/. HaQH, которыми гредпо-лагзется оснастить новые цеха и использовать для реконструкции старых производств хлора и каустика. Разработанные установки созданы и внедрены на ряде производств хлорной и азотной промышленности в качестве узлов растворения "прямой" и "обратной" соли (Ферганское и Новопесковское ПО "Азот", Первомайское ПО "Химиком", Ноэокуйбышевский ХЗ, Кемеровское ПО "Химпром", Московский опытный завод!
Разработан высокоэффективный способ приготовления катализатора для конве:;ии окиси углерояа, позвол^пв-п увеличить выход катализатора и в 3-4 раза сократить время его приготовления. Гидрофонтанный циркуляционный реактор-объемом 10 и3для синтеза катализаторов НТК-4, HTK-S внедрен в производство' на дорогобужском заводе азотных удобрений.
Разработана высокоэффективная технология и аппарат для синтеза хлорного железа в режиме гадрофонганирования. позволявшие получать его высококонцентрированные расиоры и кристал-логйдр.ты с требует»! содержанием води из отходов сталелитейного производства. Результаты переданы а Волгоградское ПО "Каустик".
Выполнен расчет, проектирование и оценка ' возможности улучшения показателей процесса сушки кристаллов биФторида аммония в Фонтанируюшем слое "газ-твердое". Результаты использованы при проектировании промышленной установки сушки кристаллов бифторидов аммония, ее пуске на Череповедг.он ПО ."Аммофос".
-G-
Выполнен комплекс работ по проектированию, расчету и оптимизации процесса обезвоживания борогипса, буры и борной кислота во взвешенном и Фонтанирукяіем слое, а также по оптимальному управлению им. Результаты внедрены в производство на Приморском ПО "Бор" и Актюбинском ХЗ.
Значительно повышена эффективность стадий кристаллизации в производстве шелочи - гидроокиси натрия ШаОН! при кристаллизации UaCl из раствора шелочи в Кемеровском ПО "Химпром". Первомайском ПО 'Химпром", Новомосковском ПО "Азот". При этом удалось зьяелить Касі из раствора КаОН до значений, соответс-твуших высшему мировому уровню качества.
Разработан эффективный процесс кристаллизации бифторида аммония э гидрофонтанном аппарате в Череповецком по "Аммофос"; исследован процесс и выданы рекомендации по выпарке NaOH, совмещенной с кристаллизацией HaCl для Волгоградского шгкаустик".
Решена промышленчо важная задача повышения эффективности получения пентаэритрита. зыбраны оптимальные условия и оборудование стадий выделения и очистки пентаэритрита, включающие кристаллизацию. Фильтрование, промывку, разделение фракций осадков и др. Высокоэффективный циркуляционный реактор синтеза пентаэритрита, обследованный методом трассера, разработан и внедрен в производство на черкесском ХПО.
Разработаны и внедрены в производство методы повышения эффективности процессов синтеза лаковых смол и гомогенизации-реакционных сред в жидкоФаэкых промышленных реакторах. В ре-' зультате разработаны исходные данные на проектирование типовых жидкоразных реакторов синтеза алкидов вместимостью 32 м*; провесе синтеза алкидзв внедрен на 03 НПАО "Спектр", где. продолжительность- синтеза уменьшилась в 1.2- 2 раза, а также 'удалось снизить температуру синтеза. Методика расчета через последовательную схему реакции полимеризации с использованием циркуляционных аппаратоз применима и для других процессов синтеза олигомеров, например, эпоксидировакия соевого масла. Наряду с синтезом и растворением лаков в санкт-петербургском НПО "Пигмент" внедрены высокоэффективные приемы перемешивания эпоксидных смол на Котовском ЛКЗ.
Применение циркуляционных схем с интенсивным перемешиванием в роторно-пулі?сационном режиме позволило перейти К ПРИН-цщшиально новым технологиям в лакокрасочной промышленности. Установки, внедренные на Львовском ЛКЗ для получения мебельных матовых лаков, в Алексинском ПО. где матирование совмешено с кристаллизацией, на Ярославском ПО "/іакокраска", 03 НПАО
"Спектр ЛК", Установки для получения ВОДНЫХ ЛКК позволили повысить эффективность процессов в з-ч- раза по сравнению с традиционными.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы неоднократно докладывались, обсуждались и были одобрены на различных конференциях, семинарах и совещаниях, в том числе: первой Всесоюзной конференции "Методы кибернетики химико-технологических процессов" Шосква. 1984 г.); пятой Всесоюзной конференции "Математическое ксдели^свание сгожкых жя-ко-технолсгичаских систем" (Казань. 153S г.);' Всесоюзных конференциях "Состояние и перспективы развития технологических процессов хлорной промышленности" (Сумгаит. 1968 г.) и "Состояние основных Фондсз хлорных производств и Mfvy их модернизации" (Волгоград, 1988 г.);. пятом Всесоюзном совещании ."Химия кислородных соединений бора" (Рига, 1981 г.); восьмой Научно-технической конференции молодых ученых и специалистог в хлорной промышленности (Москва, ГОСНИИХЛОРПРОНКТ. 198 г.); Всесоюзной конференции "Состояние и перспективы развития технологических производств получения хлора и соды каустиче-кой" іЗолгоград, 1985 г.); всесоюзной конференциях "Химреактор-9" (Гродно. 1986 г.) и "Хинреактср-П" (Харьков. 1992 г.); Московской конференция молодых ученых (Москва, НЛУИФ, 1936 г.); Минской международном Форуме "Процессы тепло- и масссобмена" (Минск, 1966 г. ) и др,
Публикации. Счдержакге диссертации отражено -в 71 печатных работах, опубликованных з журналах "Теоретич? -кие основи химической технологии", "Химическая промышленное!э", "Химическое и нефтяное машиностроение", "<"акскрасочные «атериалы и их применение", "Химическая техногли.ч", "Высокомолекулярные с ідине-."'.я1'. "Пластмассы", в материалах Всесоюзных и Междугородных конференций. По результатам работа получено 20 авторских свидетельств, список основных публикации приведен.в коние авто??-Фер* :а.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из ззёдёкйТ- четырех глав~тёкста. ?акя:очитеЛьных грызо-vb, "списка гмтьратуры и приложений. Обгний обьен габсты 496 страниц м?""'ли';нсногс текста, но рисунков, 46 таблиц и 263 наименов?чк' ;т(->-атгрных ссылок,