автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Кинетика и аппаратурное оформление процесса удаления водорастворимых примесей их суспензий полупродуктов органических красителей

•ТВ

2 з «0«

На правах рукописи

ФЕФЕЛОВ ПЕТР АЛЕКСАНДРОВИЧ

КИНЕТИКА И АППАРАТУРНОЕ ОФОРМЛЕНИЕ ПРОЦЕССА УДАЛЕНИЯ ВОДОРАСТВОРИМЫХ ПРИМЕСЕЙ ИЗ СУСПЕНЗИЙ ПОЛУПРОДУКТОВ ОРГАНИЧЕСКИХ КРАСИТЕЛЕЙ

Специальность 05.17.08 - Процессы и аппараты

химической технологии

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тамбов 1998

Работа выполнена в Тамбовском государственном техническом университете

Научные руководители: кандидат технических наук, доцент Леонтьева Альбина Ивановна; кандидат химических наук, доцент Утробин Николай Павлович.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Блиничев Валерьян Николаевич; доктор технических наук, профессор Малыгин Евгений Николаевич

Ведущая организация: АО "НИОПИК", г. Москва

Защита состоится "/¿Л/Ь^Я/А 1998 г в часов .¿^минут в ауд. 60, ул. Ленинградская, 1 н^заседании диссертационного совета К 064.20.01 Тамбовского государственного технического университета. Отзывы в двух экземплярах, скрепленные гербовой печатью, просим направлять по адресу: 392620 г. Тамбов, ул. Советская, 106

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ТГТУ.

Автореферат разослан

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Развитие текстильной, полиграфической, кожевенной и других отраслей промышленности предъявляет повышенные требования к качеству синтетических красителей. Определяющее влияние на формирование качества красителей оказывают физико - химические свойства используемых полупродуктов: доля основного вещества и примесей, кислотность, растворимость и др., которые, в свою очередь, формируются на более ранних стадиях процесса производства, таких, как выделение твердой фазы, очистка суспензий и паст от примесей, сушка и др. Названные процессы не эффективны и не могут обеспечить соответствие выпускаемого продукта возрастающим требованиям к качеству, сокращение общего времени производства, снижение энергетических затрат и решение многих других вопросов, продиктованных рыночной экономикой.

Ввиду того, что производство большинства полупродуктов органических красителей (ПОК) на стадии синтеза основного вещества осложнено неизбежным образованием большого количества водорастворимых примесей (ВП), процесс их удаления из суспензий и паст по - прежнему является серьезной проблемой, несмотря на то, что в промышленных условиях достаточно широкое распространение получили методы удаления примесей путем промывки на фильтрах и репульпации. При решении проблемы удаления примесей особый интерес представляет исследование кинетики отдельных стадий процесса производства ПОК с целью возможного их совмещения в одном технологическом аппарате; в то же время применение аппарата и идей математического моделирования позволило бы оптимизировать технологические режимы такого процесса.

Поэтому исследование кинетики и разработка аппаратурного оформ-тения совмещенного процесса, имеющего меньшую продолжительность удаления ВП из суспензий ПОК, с применением метода математического моделирования имеют актуальное научное и хозяйственное значение.

Цель работы. Теоретическое и экспериментальное обоснование возможности организации совмещенного процесса удаления ВП из суспензий ПОК в одном технологическом аппарате и разработка на этой основе аппаратурного оформления процесса получения из суспензий паст с улучшен-гыми техническими характеристиками.

Для достижения указанной цели поставлены и решены следующие задачи:

- теоретическое и экспериментальное исследование возможности совмещения процессов осаждения частиц целевого вещества суспензий, кристаллиза-щи ВП и осаждения кристаллогидратов примесей в поле центробежных сил в »дном технологическом аппарате;

- разработка математической модели совмещенного процесса удаления ЗП из суспензий ПОК методом кристаллизации в поле центробежных сил;

- экспериментальное исследование кинетики процесса удаления ВП из ;успензий ПОК;

- разработка аппаратурного оформления процесса получения из сус-1ензий паст с улучшенными техническими характеристиками и внедрение го в производство;

- оптимизация технологических режимов процесса удаления ВП суспензий ПОК.

Научная новизна:

- поставлена задача теоретического и экспериментального исследован возможности совмещения процессов осаждения часпщ целевого вещества с; пензий, кристаллизации ВП и осаждения кристаллогидратов примесей в пс центробежных сил в одном технологическом аппарате;

- разработаны теоретические основы совмещенного процесса удален ВП из суспензий ПОК методом кристаллизации в поле центробежных ш

- разработана математическая модель совмещенного процесса удален примесей (осаждения частиц целевого вещества - кристаллизации ВП осаждения кристаллогидратов примесей) в поле центробежных сил;

- исследована кинетика совмещенного процесса удаления примесей;

Практическая ценность:

- разработан способ удаления ВП из суспензий ПОК (Пат. F №96113246/25);

- разработан способ выделения целевого вещества из водных суспенз) (Пат. РФ № 96107139/25); .

- разработана методика экспериментального определения профил концентраций частиц целевого вещества, ВП и кристаллогидратов примес в фугате по радиусу ротора осадительной центрифуги во времени;

- разработана методика расчета технологических параметров совм щенного процесса удаления ВП из суспензий ПОК с использованием мат магической модели;

- предложены зависимости для определения параметров процесса кр сталлизации в поле центробежных сил;

- разработаны рекомендации по модернизации осадительной центр фуги;

- разработаны рекомендации по оптимизации технологических реж мов совмещенного процесса удаления ВП из суспензий ПОК;

- предложена технологическая схема производства ПОК с использов нием совмещенного процесса.

Апробация работы. Процесс удаления ВП из суспензий ПОК был а робирован в лабораторных условиях и на промышленной модернизирова: ной центрифуге (ФГН 1200) и после проведения испытаний внедрен в пр изводство (АО "Пигмент", г. Тамбов).

Математическая модель и программа расчета совмещенного процес удаления примесей также внедрены в производство (АО "Пигмент", г. Tai бов), а результаты исследований, указанные в разделе "Практическая це; ность" переданы и используются с целью модернизации существующе производства (АО "Пигмент", г. Тамбов).

Основные положения диссертационной работы докладывались и обе ждались на научн. конф. (Тамбов, 1994); 2-ой региональной научн. - тех конф. (Тамбов, 1994); региональных научн. - техн. конф. (Воронеж, 199 1997, 1998); 3 - ей традиционной научн. - техн. конф. стран CF (Волгоград, 1995); 1-ой международной научн. - техн. конф. (Иванов 1998); 3 - ей международной теплофизической школе (Тамбов, 1998).

Публикации. По материалам диссертации имеется 17 публикаций, в т.ч. два патента.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка используемой литературы и приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении на основе краткого анализа современного состояния проблемы удаления примесей из суспензий и паст ПОК показана актуальность задач, решаемых в диссертационной работе.

В первой главе анализируются работы, посвященные методам удаления примесей из суспензий и паст, методам очистки веществ кристаллизацией и методам выделения твердой фазы в поле центробежных сил с целью совмещения отдельных процессов в одном технологическом аппарате, а также рассмотрены современные представления об основных процессах, на которых основаны названные методы.

Приводится общая характеристика состава и свойсге ПОК; показано, что водные суспензии ПОК содержат, целевого вещества - 8-Ь9 %, органических примесей (ОП) -5-^6%, неорганических примесей (НП) - 25 -Ь 27 % (H2S04 -5-S- 6 %, Na2SÔ4 - 18 -г 19 %, остальное - другие соли металлов). Качественные показатели ПОК в значительной степени зависят от содержания ВП (НП и часть ОП).

Исследования процесса удаления ВП из суспензий ПОК базируется на работах, посвященных общим вопросам теории и техники промывки (Брук O.JL, Малиновская Т.А., Рейнфарт В.В., Жужиков В.А.), кристаллизации (Хамский Е.В., Гельперин Н.И., Матусевич JI.H., Исаев В.Н., Кафа- ров В.В.), а также разделению в поле центробежных сил (Соколов В.И., Шко-ропадД.Е., Романков П.Г., Нестерович A.A.).

Приводится оценка процессов кристаллизации и выделения твердой фазы в поле центробежных сил с позиций их возможного совмещения в одном технологическом аппарате и применения для удаления ВП из суспензий ПОК.

Вопросы исследования кинетики совмещенных процессов недостаточно отражены в научной литературе. Описание же совмещенного процесса кристаллизации и разделения в поле центробежных сил в литературе отсутствует; поэтому их дополнительное исследование является важным при решении проблемы удаления примесей из суспензий ПОК.

В связи с вышеизложенным поставлены основные задачи исследования:

1. Осуществить общую постановку задачи исследования кинетики совмещенного процесса удаления ВП из суспензий ПОК методом кристаллизации в поле центробежных сил. Для этого:

- решить проблему совмещения в одном технологическом аппарате процессов осаждения частиц целевого вещества - кристаллизации ВП -осаждения кристаллогидратов примесей в поле центробежных сил;

- разработать математическую модель и программу расчета совмещенного процесса удаления ВП;

- исследовать кинетику совмещенного процесса удаления ВП;

- провести экспериментальные исследования эффективности со!ш> щенного процесса удаления ВП.

2. Осуществить общую постановку задачи разработки аппаратурно1 оформления совмещенного процесса удаления ВП из суспензий ПОК мете дом кристаллизации в поле центробежных сил. Для этого:

- разработать методику экспериментального определения профиле концентраций частиц целевого вещества, ВП и кристаллогидратов примесе в фугате по радиусу ротора осадительной центрифуги во времени;

- разработать методику расчета технологических параметров совм( щенного процесса удаления ВП с использованием математической модели;

- получить и исследовать зависимости для определения параметре процесса кристаллизации в поле центробежных сил;

- разработать рекомендации по модернизации осадительной центр!: фуги;

- разработать рекомендации по оптимизации технологических режиме совмещенного процесса удаления ВП.

3. Разработать технологическую схему производства ПОК с использс ванием совмещенного процесса удаления примесей.

Во второй главе разработана кинетическая математическая модель сс вмещенного процесса удаления ВП из суспензий ПОК методом кристалла зации в поле центробежных сил. Экспериментальные данные показываю: что процессы осаждения частиц целевого вещества, кристаллизации ВП осаждения кристаллогидратов примесей в поле центробежных сил протека ют последовательно (с частичным наложением по времени), поэтому допус тимым будет их отдельное исследование на стадии моделирования.

При моделировании процесса осаждения твердой фазы в поле центре бежных сил были сделаны следующие допущения:

1 - суспензия, поступающая в осадительную центрифугу, равномерн перемешана таким образом, что концентрация осаждаемого вещества в на чальный момент времени одинакова по всему объему;

2 - процесс загрузки и формирования осадка разделены во времени;

3 - радиус ротора центрифуги (текущий радиус) является единственно: координатой, по которой наблюдается изменение информативных параметров;

4 - исходная плотность распределения частиц целевого вещества п размерам является известной функцией;

5 - движение частицы в потоке жидкости в любой момент времени яв ляется установившимся (или время ускоренного движения очень мало);

6 - система координат вращается вместе с ротором центрифуги;

7 - используется дискретное (зонное) распределение концентращн вдоль радиуса ротора центрифуги.

Модель движения частиц в потоке жидкости (в кольцевой зоне ротора центрифуги')

На частицу, взвешенную в движущейся сплошной среде, действую следующие силы: 1) центробежная Рц = тсо2 г, 2) тяжести Ег = пщ; 3) со

тротивления среды Б,. = бкК, цс W; 4) архимедова К, = . В боль-

линстве случаев силой тяжести Рх можно пренебречь. Тогда движение час-гицы в поле центробежных сил будет определяться соотношением осталъ-шх сил, действующих на частицу.

В этом случае (если осаждение характеризуется законом Стокса) для лгастка установившегося движения можно определить среднюю скорость )саждения частиц с учетом зонной структуры пространства ротора центрифуги (рис 1):

(р„4л2л2/} - рж(1 - х )$ - ртхтс#)

----!_-11 (1)

9 ■/(^ж,хтс.,) *

'де / = 1 ,к - порядковый номер зоны.

Математическая модель процесса осаждения в центрифуге

Для зонной структуры пространства ротора центрифуги (рис. 1) полугена система дифференциальных уравнений, позволяющая рассчитать ко-шчество частиц твердого вещества в любой зоне:

Л

Шз,

Л

АУ; (¡1

(¡IV,

А г

В.

Д г

(2)

А г

2- • 1У2

(3)

Аг

А г

•Ж,

к-1

Щ (4)

(5)

Л А г

с начальными условиями вида:

—^ суспензия

Рис. 1. Схематичное изображение ротора центрифуги

Лг,(0)

_ 2г,Д/-/[Рас(1 - х™с.) + ртх%с .

Яшах

4 "

(6)

Уравнения (2) - (5) с начальными условиями (6) формируют математи-[ескую модель процесса осаждения частиц твердого вещества и позволяют

по исходным данным рассчитать изменение концентрации твердой фазы пс зонам во времени (и следовательно, продолжительность процесса осаждения) как на стадии осаждения частиц целевого вещества, так и на стадиу осаждения кристаллогидратов примесей.

При проведении процесса кристаллизации ВП в поле центробежны? сил было установлено, что средний размер получаемых кристаллов в несколько раз меньше среднего размера кристаллов, получаемых обычно* кристаллизацией, однако общее количество полученной кристаллическое массы при кристаллизации в поле центробежных сил на 10-15 % больше чем при обычной кристаллизации. Это позволило на стадии моделированш рассматривать обычную кристаллизацию, а влияние поля центробежны) сил учесть введением поправочного коэффициента.

При моделировании процесса кристаллизации были сделаны следующие допущения:

1 - кристаллизация идет при постоянной температуре (или выделившееся тепло компенсируется температурной стабилизацией).

2 - радиус зародыша является детерминированным, однако время образования зародышей, считая от начала процесса, случайно и характеризуете» плотностью распределения 0(0.

Математическая модель процесса кристаллизации.

Процесс кристаллизации начинается на зародышах с критическим радиусом гкр , который можно рассчитать по уравнению:

(7

Усн) РфГкрЯТ

Кинетика процессов роста кристалла и его растворения может был описана соотношениями между массовыми скоростями и пересыщением:

^ = ^=к2Ак{-Ас) (8

Таким образом, полное изменение массы кристалла будет:

Поверхность Ак для сферической частицы (кристалла)

Ак = 4 пК2к (10

После несложных преобразований получим дифференциальное урав нение роста одиночного кристалла:

= [м^-*2(-дс)р-, (11

<ь I 1 Рк

Решать это уравнение необходимо с начальным условием:

_ ... 2аМ

-7 (12)

Уравнение (11) позволяет рассчитать кинетическую кривую роста одиночного кристалла.

Обозначим буквой Ик общее число зародышей в пересыщенном растворе. Тогда общее количество центров, образовавшихся в произвольный момент времени / > /0, составит:

(

= (13)

'о

Накопление кристаллической массы во времени можно определить, как:

. г

= (14)

Уменьшение концентрации с в растворе в процессе кристаллизации учитывается уравнением:

¿с 1 dM.it)

а~ V л ' и ;

которое необходимо решать с начальным условием: с(0)=с0 (16)

Уравнения (7), (11), (13), (14), (15) с начальными условиями (12), (16) формируют математическую модель процесса кристаллизации в поле центробежных сил и позволяют по исходным данным рассчитать накопление кристаллической массы во времени (и следовательно, продолжительность процесса кристаллизации) на стадии кристаллизации ВП.

Таким образом, совмещенный процесс удаления ВП из суспензий ПОК методом кристаллизации в поле центробежных сил описывается уравнениями математических моделей процессов осаждения частиц целевого вещества - кристаллизации ВП - осаждения кристаллогидратов примесей.

В третьей главе приведены результаты экспериментальных исследований процесса удаления ВП из суспензий ПОК в поле центробежных сил на лабораторной установке и промышленной апробации.

Для определения скорости осаждения частиц твердой фазы в поле центробежных сил нами впервые найдены зависимости вязкости (рис. 2) и плотности суспензии от содержания твердой фазы и температуры и определены показатели гранулометрического состава твердой фазы целевого вещества (рис. 3 ).

целевого вещества

Рис. 3. Фотография частиц целевого вещества.

PVC55

Рис. 2 Зависимость вязкости суспензии целевого вещества от концентрации твердой фазы и температуры. Сравнительный анализ различных методов удаления ВП из суспензш ПОК показал, что при использовании совмещенного процесса на 10-20 %

уменьшается содержание примесей в пасте целевого вещества и на 40-80 % снижают« нормы образования жидки? отходов.

Исследовано влияние состава примесей на кинетику процесса кристаллизации ВП, при этом были получены следующие результаты:

- изменение доли НП (рис. 4) в общем количестве 120 150 180 210 240 270 примесей не приводит к замет-Условный диаметр, ми ному изменению размера и Рис. 4. Гистограммы распределения Ф°РМЫ кристаллогидратов и, кристаллогидратов по эквивалентному следовательно, не влияет на диаметру: 1-Na2S04-10H20; кинетику процесса кристалли-

2 - среднестатистические ВП. зации ВП;

(0,20] (40,60) (80,100] (120,1401 (160,180' (20,40] (60,60] (100,120] (140,160]

Условный диаметр частиц, мкм

(0,30] (60,90] (120,150] (180,210] (240,270] (30,60] (90,120] (150,180] (210,240]

Условный диаметр частиц, мкм

(0,50) (100,150] (200,250] (300,350]

(50,100] (150,200] (250,300) (350,400]

Условный диаметр, мкм

Рис. 5. Гистограммы и фотографии частиц кристаллогидратов сульфатов, полученных при различном содержании примесей в фильтрате: а) - содержание примесей на 10 % больше среднестатистического;

б) среднестатистическое содержание примесей; в) содержание примесей на 10 % меньше среднестатистического

- увеличение доли ОП в общем количестве примесей приводит ] уменьшению среднего размера кристаллогидратов ВП (рис. 5 а.), следова тельно, к увеличению времени инкубационного периода; уменьшение дол!

ОП в общем количестве примесе! приводит к увеличению средней размера кристаллогидратов, кристаллогидраты светлее и с боле< выраженными гранями (рис. 5 в).

На основании полученных ре зультатов при определении физик» механических характеристик ВП дш расчета совмещенного процесса ис пользовались данные для Ка2504 10Н20.

Проверка адекватности математической модели совмещенного процесса удаления ВП из суспензий ПОК осуществлялась пуге\ сравнения результатов расчета < времени: 1 - прямоугольный сосуд из экспериментальными данными оргстекла; 2 - шторки; 3 - канавка полученными в лабораторных у

промышленных условиях.

Для экспериментального исследования кинетики совмещенного процесса в лабораторных условиях была изготовлена измерительная ячей кг (рис. 6.) и разработана специальная методика; исследования проводили« при п = 1000 -г- 4000 об/мин ротора центрифуги. 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0

0 20 40 60 80 100 120 180 240 300 420

Время, с

Рис. 7. Сравнение расчетных (сплошная линия) и экспериментальных профилей концентраций частиц целевого вещества по зонам при п = 4000 об/мин

ячейки для определения профиля концентраций по радиусу ротора во

Сравнительный анализ расчетных и экспериментальных кривых (рис. 7)-(рис. 9) показывает, что расхождения между профилями концентраций для всех составляющих стадий совмещенного процесса удаления ВП из суспензий ПОК не превышают 4 + 6 %. 40

35

30

25

20

15 10

5 0

0 60 100 140 180 240 300 360 420 4S0 540 600 660

Время, с

Рис 8. Сравнение расчетных (сплошная линия) и экспериментальных профилей количества кристаллогидратов п = 4000 об/мин: 1 - экспериментальные профили по зонам ротора центрифуги; 2 - суммарный экспериментальный профиль

16 14 12 10

8

6 4 2 0

0 60 100 140 180 240 300 360 420 480 540 600 660

Время, с

Рис. 9. Сравнение расчетных (сплошная линия) и экспериментальных профилей концентраций кристаллогидратов по зонам при п = 4000 об/мин

X г й 3 с и 3-Е

) ^ с У

ч 1/ 1/ \ \

/ / 3

/ 3

А i ц

/ Л i t< ;

I..I г1 XI и 1 i <; 9 ? ГШ I

Расхождение расчетных и экспериментальных кривых распределения кристаллогидратов по эквивалентному диаметру (рис. 10) не превышает 15 %.

Полученные результаты показывают хорошую сходимость расчетных и экспериментальных данных, что в свою очередь подтверждается результатами промышленной проверки (табл. 1), проведенной на действующей центрифуге ОГН 1200 при удалении примесей из суспензии Гамма-

8 12 16 20 24 28 32 Условный диаметр, мкм

Рис. 10. Сравнение расчетной (2) и экспериментальной (1) функций распределений кристаллогидратов примесей по эквивалентному диаметру кислоты (АО "Пигмент" г. Тамбов).

В четвертой главе представлены результаты оптимизации технологических режимов процесса удаления ВП из суспензий ПОК, разработаны рекомендации по модернизации осадительной центрифуги и предложена принципиальная технологическая схема производства ПОК с использованием совмещенного способа удаления ВП в поле центробежных сил. Основной задачей оптимизации процесса удаления ВП из суспензий ПОК является минимизация общего времени проведения процесса при соблюдении условия (17). Таблица 1

Сравнение расчетных и экспериментальных данных процесса удаления ВП из суспензии Гамма-кислоты на ОГН 1200 где тч

кр '

(17)

время окончания

Параметр Значение

Расч. Экспер.

Содержание твердой фазы целевого вещества в пасте, % 40,0 38,5

Концентрация примесей в фугате, г/л 195 180

Время процесса, мин 13 15

_процесса осаждения частиц

целевого вещества; т,нкр -

время начала процесса осаждения кристаллогидратов ВП.

При оптимизации процесса удаления ВП из суспензий ПОК, при неизмен-

ностй физико-механических свойств и температуры суспензии ПОК, единственным изменяемым параметром может быть фактор разделения. Учитывая неизменность габаритов ротора центрифуги и коэффициент заполнения, в качестве варьируемого параметра принимаем число оборотов ротора п.

В результате расчета совмещенного процесса удаления ВП из суспензий ПОК было получено семейство кривых (рис. 11) для п = 1000-г- 4000 об/мин, из которых видно, что условие (17) выполняется в интервале п = 2000 -г- 4000 об/мин.

Получено критическое значение п^, (рис. 12), начиная с которого процесс осаждения частиц целевого вещества и процесс осаждения кристаллогидратов разделены во времени.

В этом случае продолжительность совмещенного процесса составляет 540 с.

Предложена модернизация центрифуги, которая заключается в установке автомагических устройств, позволяющих перемещать нож для съема осадка на заданную глубину.

В результате исследовательской работы предложена новая схема производства ПОК с использованием совмещенного процесса удаления ВП в поле центробежных сил, реализующая следующую технологическую цепочку: синтез основного вещества -» получение полупродукта в кристаллическом виде и охлаждение до температуры, соответствующей состоянию насыщения раствора ВП в фугате [удаление ВП в центрифуге (этап 1) - единовременное охлаждение

600 700

Время, с

Рис. 11. Семейство кривых по определению времени совмещенного процесса удаления ВП: 1-3 - осаждение частиц целевого вещества при п = 1000, 2000, 4000 об/мин ротора, соответственно; 4-6 - осаждение кристаллогидратов при п = 1000, 2000, 4000 об/мин ротора соответственно Врем»

1 2

400 300""

200

100-

0 2000 п,р 40Й0

Рис. 12. Определения пкр: 1 - окончание процесса осаждения частиц целевого вещества; 2 - начало процесса осаждения кристаллогидратов

фугата (не вьиружая осадка) - удаление ВП в центрифуге (этап 2) - разделена целевого вещества, кристаллогидратов и осветленного фугата] -> сушка -» упако1 ка.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. В работе впервые реализован подход к комплексному исследованию ее вмещенного процесса удаления ВП из суспензий ПОК методом кристаллизации поле центробежных сил:

- дано теоретическое и экспериментальное обоснование возможности совмс щения процессов осаждения частиц целевого вещества - кристаллизации ВП осаждения кристаллогидратов примесей в одном технологическом аппарате;

-разработано аппаратурное оформление процесса получения из суспензи ПОК паст с улучшенными техническими характеристиками.

2. В рамках предложенного подхода;

- разработан совмещенный процесс удаления ВП из суспензий ПОК методо! кристаллизации в поле центробежных сил (внедрен в производство, А< "Пигмент", г. Тамбов);

- разработана математическая модель и программа расчета совмещенного прс цесса удаления ВП из суспензий ПОК (внедрена в производство, АО "Пигмент' г. Тамбов);

- исследована кинетика совмещенного процесса удаления ВП из суспензи ПОК (на примере суспензий ПОК: Гамма-кислота, И-кислота, однохлориста медь);

- изготовлена ячейка и разработана методика экспериментального определе ния профилей концентраций частиц целевого вещества, ВП и кристаллогидрате примесей в фугате по радиусу ротора осадательной центрифуга во времен (передана для использования, АО "Пигмент", г. Тамбов);

- разработана методика расчета технологических параметров совмещенног процесса удаления ВП с использованием математической модели (передана да: использования, АО "Пигмент", г. Тамбов);

- исследованы физико-механические характеристики (плотность, вязкости гранулометрический состав) нескольких ПОК (Гамма-кислота, И-кислота, одно хлористая меда.);

- исследовано влияние примесей на гранулометрический состав кристаллогид ратов ВП, получаемых в совмещенном процессе (на примере ПОК: Гамма кислота, И-кислота, однохлористая медь);

- получены и исследованы зависимости для определения параметров процесс кристаллизации в поле центробежных сил (передана для использования, АС "Пигмент", г. Тамбов);

- разработаны рекомендации по модернизации осадительной центрифуп (переданы для использования, АО "Пигмент", г. Тамбов);

- проведены экспериментальные исследования эффективности совмещенной процесса удаления ВП на промышленной центрифуге ОГН-12СЮ;

- разработаны рекомендации по оптимизации технологических режимов со вмещенного процесса удаления ВП (переданы для использования, АО "Пигмент" г. Тамбов);

- разработана технологическая схема производства ПОК с использованием совмещенного процесса удаления ВП (передана для использования, АО "Пигмент", г. Тамбов).

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

Ят — радиус частицы твердого вещества; (для несферических частиц эквивалентный радиус), м; рс — плотность суспензии, кг/м3; g — ускорение

свободного падения, м/с2; цс — вязкость суспензии, Па с; ш — масса частицы, кг; ю — угловая скорость ротора центрифуги, с"1; г — текущий радиус ротора центрифуги, м; рж — плотность жидкой фазы, кг/м3; рт— плотность твердой фазы, кг/м3; х,.с- — массовая доля твердой фазы целевого вещества в суспензии, кг/кг; -/[ — коэффициент, учитывающий отклонение частиц от сферической формы; п — число оборотов ротора центрифуги в секунду, об/с; К — количество зон в данной модели; Дг — ширина зоны, м; Я™х, Л™п — максимальный и минимальный геометрические размеры ротора, заполненного суспензией, м; <р(Лт) — плотность распределения частиц твердого вещества по размерам; N — количество частиц твердой фазы; 1 — длина ротора центрифуги, м; с0 — концентрация вещества в пересыщенном растворе, кг/м3; сн — растворимость вещества при данных условиях (концентрация насыщения раствора), кг/м3; а — поверхностное натяжение, Н м; М — молекулярная масса растворенного вещества; рф — плотность

раствора, кг/м3; Я — газовая постоянная; Т — абсолютная температура, К; к} — обобщенная скорость роста кристалла; к2 — обобщенная скорость растворения кристалла; Ак — поверхность кристалла, м2; Дс — абсолютное пересыщение раствора, кг/м3; §1 — порядок роста кристалла; гак — масса кристалла, кг; — радиус (эквивалентный радиус) кристалла, м; рк — плотность вещества кристалла, кг/м3; 1ЧК — число кристаллов; уз,у4 - поправочные коэффициенты; V — объем раствора, м3; Мк — масса вещества кристаллов, кг.

ИНДЕКСЫ

вх — относится к входу; с — относится к суспензии целевого вещества; ф — относится к фугату; т — относится к твердой фазе; ж — относится к жидкой фазе; р — относится к ротору; н — насыщения; к — относится к кристаллогидратам сульфатов.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ИЗЛОЖЕНО В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1. Выделение водорастворимых примесей из суспензий полупродуктов органических красителей. /Леонтьева А.И., Утробин Н.П., Фефелов П.А. и др. // Вестник ТГТУ. - Т. 2, вып. 2. - 1996. - С. 408-413

2. Математическое моделирование процесса кристаллизации водорастворимых примесей из суспензий полупродуктов органических красителей в поле центробежных сил/ Леонтьева А.И., Утробин Н.П., Фефелов П.А. и др. // Вестник ТГУ. - Т. 2, вып. 2. - 1997. - С. 227-229

3.Удаление водорастворимых примесей из полупродуктов органических красителей кристаллизацией в поле центробежных сил /Фефелов П.А., Леонтьева А.И., Утробин Н.П. и др. // Труды молодых ученых и студентов ТГТУ. - Вып. 1. - 1997. - С. 35-41.

4. Математическое моделирование процесса кристаллизации водорастворимых примесей из суспензий в поле центробежных сил /Фефелов П.А., Каретников C.B., Колиух А.Н./ - ВГТА, Воронеж. -1997. - С. 35-36.

5.Модернизация технологии производства пищевых красителей /Фефелов П.А., Чупрунов С.Ю., Ведищев В.В., Чернов A.A./ - ВГТА, Воронеж. -1997. - С. 105-106.

6.Математическое моделирование процесса кристаллизации водорастворимых примесей из суспензий в поле центробежных сил /Фефелов ПА, Леонтьева АИ., Арзамасцев АА и др. // Тезисы докл. научн. - техн. конф. - Воронеж, 1997. - С. 78-79.

7.Повышение качественных показателей полуфабрикатов органических красителей /Леонтьева А.И., Утробин Н.П., Фефелов П.А., и др. // Тезисы доклада 1-ой науч. конф. ТГТУ, Тамбов, 1994, С. 165-166

8.Способы снижения сульфатосодержащих солей в полупродуктах органических красителей /Леонтьева А.И., Утробин Н.П., Фефелов П.А. и др. // Тезисы 2-ой региональная научн.-техн. конф, Тамбов, 1994.

9.Способы снижения примесей в полупродуктах органических красителей /Леонтьева А.И., Утробин Н.П., Фефелов П.А. и др. // Тезисы докл. 3-ей традиционной научн. - техн. конф. стран СНГ, Волгоград, 1995 год

Ю.Методы повышения качественных показателей полупродуктов органических красителей /Леонтьева А.И., Утробин Н.П., Фефелов П.А. и др. // Тезисы 3-ей региональной научн. - техн. конф. Воронеж, ВГУ, 1995 г.

11.К вопросу о повышении качественных показателей полупродуктов органических красителей /Леонтьева А.И., Утробин Н.П., Фефелов П.А. и ДР- // Тезисы докладов 2-ой научн. конф., Тамбов, ТГТУ, 1995 г.

12. Кристаллизация в поле центробежных сил / Фефелов П.А., Леонтьева А.И., Брянкин К.В. и др. // Тезисы докладов IV -ой регион, конф. -Воронеж, ВГТУ, 1998 г. - С. 79-85

13.Выделение водорастворимых примесей из суспензий полупродуктов органических красителей // Фефелов П.А., Леонтьева АИ., Брянкин К.В. и ДР- // Тезисы докладов IV -ой регион, конф. - Воронеж, ВГТУ, 1998 г. - С. 85-89

Н.Оценка эффективности оборудования для разделения суспензий полупродуктов органических красителей / П.А. Фефелов, А.И. Леонтьева, К.В. Брянкин и др. // Тезисы докладов 1 -ой международной конф. - Иваново, ИХТА, 1998 г. - С. 74.

15. Теплофизические свойства суспензии Гамма-кислоты / Леонтьева А.И., Утробин Н.П., Фефелов П.А. и др. // Тезисы докладов 3-ей международной теплофизической школы. - Тамбов, ТГТУ, 1998 г. С. 42-45.

16. Пат. Россия (положит, решение по заявке № 96107139/25 от 24 июня 1997 г.) "Способ удаления растворимых примесей" // Леонтьева АИ., Утробин Н.П., Фефелов ПА и др.

17. Пат. Россия № 96113246/25 от 12 января 1998 г. "Способ выделения пигментов из водных суспензий" // Леонтьева АИ., Утробин Н.П., Фефелов ПА

и др.

ТАМБОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

КИНЕТИКА И АППАРАТУРНОЕ ОФОРМЛЕНИЕ ПРОЦЕССА УДАЛЕНИЯ ВОДОРАСТВОРИМЫХ ПРИМЕСЕЙ ИЗ СУСПЕНЗИЙ ПОЛУПРОДУКТОВ ОРГАНИЧЕСКИХ КРАСИТЕЛЕЙ

05. 17. 08 - Процессы и аппараты химической технологии

Научные руководители -кандидат технических наук, доцент Леонтьева Альбина Ивановна, кандидат химических наук, доцент Утробин Николай Павлович

На правах рукописи

ФЕФЕЛОВ ПЕТР АЛЕКСАНДРОВИЧ

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тамбов 1998 г.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 10 Глава 1 Современное состояние теории и техники удаления водорастворимых примесей из суспензий полупродуктов органических красителей................................................................... 13

1.1 Методы удаления водорастворимых примесей из паст и суспензий полупродуктов органических красителей................... 14

1.1.1 Методы удаления примесей из паст без разрушения их структуры.................................................................................. 15

1.1.2 Методы удаления примесей из паст с разрушением их структуры.................................................................................. 17

1.1.3 Методы снижения содержания водорастворимых примесей

в суспензиях............................................................................ 18

1.1.4 Сравнительный анализ методов удаления примесей из паст

и суспензий полупродуктов органических красителей........ 20

1.2 Оценка процесса кристаллизации с позиций его возможного применения для удаления водорастворимых примесей из суспензий полупродуктов органических красителей................... 20

1.2.1 Способы получения пересыщенных растворов.................... 22

1.2.2 Факторы, влияющие на процесс кристаллизации................. 25

1.2.3 Тепло- и массоперенос при изогидрической кристаллизации . 30

1.2.4 Применение метода математического моделирования для исследования процесса массовой кристаллизации.............. 31

1.2.5 Аппаратурное оформление процесса кристаллизации......... 33

1.2.6 Выбор оптимальных режимов процесса кристаллизации .... 35

1.3 Оценка процесса выделения твердой фазы в поле центробежных сил с позиций его возможного применения для удаления водорастворимых примесей из суспензий полупродуктов органических красителей................................................................. 37

1.3.1 Факторы, влияющие на эффективность процесса разделения

суспензий в поле центробежных сил................................38

1.3.2 Применение метода математического моделирования для исследования процесса выделение твердой фазы в поле центробежных сил................................................................. 39

1.3.3 Аппаратурное оформление процесса выделения твердой фазы в поле центробежных сил............................................. 40

1.3.4 Выбор оптимальных режимов процесса выделения твердой фазы в поле центробежных сил.............................. 41

Выводы к главе 1 и постановка задачи исследования................. 43

Глава 2 Разработка математической модели процесса удаления водорастворимых примесей из суспензий полупродуктов органических красителей методом кристаллизации в поле центробежных сил............................................................................... 47

2.1 Физико-химические основы процесса удаления водорастворимых примесей........................................................... 47

2.1.1 Механизм процесса кристаллизации примесей в поле центробежных сил................................................................... 47

2.1.2 Материальный и тепловой балансы процесса удаления водорастворимых примесей из суспензий полупродуктов органических красителей........................................................ 50

2.2 Постановка задачи моделирования............................................... 51

2.3 Система принятых допущений для процесса выделения твердой фазы в поле центробежных сил....................................... 54

2.4 Математическое описание процесса выделения твердой фазы в поле центробежных сил................................................................. 54

2.5. Система принятых допущений для процесса кристаллизации водорастворимых примесей........................................................... 62

2.6. Математическое описание процесса кристаллизации водорастворимых примесей........................................................... 62

2.7. Алгоритм расчета процесса удаления водорастворимых

примесей с использованием математической модели................. 56

Выводы к главе 2............................................................................... 69

Глава 3 Экспериментальное исследование кинетики процесса удаления

водорастворимых примесей из суспензий полупродуктов

органических красителей.................................................................. ^

3.1 Определение физико-механических свойств суспензий полупродуктов органических красителей.................................... 70

3.1.1 Определение вязкости и плотности суспензий полупродуктов органических красителей............................ 70

3.1.2 Исследование гранулометрического состава твердой фазы суспензий полупродуктов органических красителей........... 74

3.2 Исследование кинетики процесса выделения водорастворимых примесей из суспензий полупродуктов органических красителей...................................................................................... 77

3.2.1 Описание экспериментальной установки.............................. 77

3.2.2 Определение констант скорости роста и растворения кристаллогидратов водорастворимых примесей.................. 78

3.2.3 Исследование влияния примесей на форму и размер получаемых кристаллогидратов водорастворимых примесей................................................................................. 80

3.2.4 Определение плотности распределения времени образования зародышей кристаллогидратов водорастворимых примесей .. 84

3.2.5 Сравнительный анализ эффективности удаления водорастворимых примесей по экспериментальным данным . 87

3.3 Проверка адекватности математической модели процесса удаления водорастворимых примесей из суспензий полупродуктов органических красителей.................................. 89

3.3.1 Идентификация математической модели процесса удаления водорастворимых примесей из суспензий полупродуктов органических красителей............................. 90

3.3.2 Результаты проверки адекватности математической модели реальному процессу в лабораторных условиях....... 103

3.3.3 Результаты проверки адекватности математической модели реальному процессу в промышленных условиях .... 113

Выводы к главе 3............................................................................. 114

Глава 4 Оптимизация технологических режимов процесса удаления водорастворимых примесей из суспензий полупродуктов органических красителей в поле центробежных сил осадительной центрифуги.............................................................. 116

4.1 Постановка задачи оптимизации технологических режимов процесса удаления водорастворимых примесей из суспензий полупродуктов органических красителей в поле центробежных сил..... 116

4.2 Алгоритм решения задачи оптимизации технологических режимов процесса с применением математической модели....... 118

4.3 Решение задачи оптимизации технологических процесса выделения водорастворимых примесей из суспензий полупродуктов органических красителей в поле центробежных сил...................... 119

4.4 Рекомендации по модернизации осадительной центрифуги -кристаллизатора............................................................................ 122

Выводы к главе 4................................................................................ 125

Заключение и выводы....................................................................... 126

Список используемой литературы..................................................... 132

Приложения.......................................................................................... 141

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

Ос — количество суспензии целевого вещества на входе в агрегат, кг; 0„ — количество пасты целевого вещества на выходе из агрегата, кг; Оф — количество фугата на выходе из агрегата, кг;

Оир — количество кристаллогидратов сульфатов на выходе из агрегата, кг; Тс — температура суспензии целевого вещества на входе в агрегат, К; Тп — температура пасты целевого вещества на выходе из агрегата, К; Тф — температура фугата на выходе из агрегата, К;

Тпр — температура кристаллогидратов сульфатов на выходе из агрегата, К; Сс — теплоемкость суспензии целевого вещества, Дж/кг-К; Сп — теплоемкость пасты целевого вещества, Дж/кг-К; Сф — теплоемкость фугата, Дж/кг-К;

Спр — теплоемкость кристаллогидратов сульфатов, Дж/кг-К; Окр — теплота кристаллизации сульфатов, Дж; Ораст — теплота растворения сульфатов, Дж; О* — потери теплота в окружающую среду, Дж;

Ят — радиус частицы твердого вещества; (для несферических частиц

эквивалентный радиус), м; рс — плотность суспензии, кг/м3; g — ускорение свободного падения, м/с2; //с— вязкость суспензии, Па с; \У — скорость движения частицы, м/с; Е — полная сила, действующая на частицы, Н;

Ркин — кинетическая составляющая силы, действующей на частицу, Н; С — коэффициент лобового сопротивления;

— площадь лобового сечения частицы, м2; Ец -—- центробежная (центростремительная) сила, Н; Ш — масса частицы, кг; СО — угловая скорость ротора центрифуги, м/с; Г — текущий радиус ротора центрифуги, м; Рж — плотность "чистой" жидкой фазы, кг/м3; рт — плотность "чистой" твердой фазы, кг/м3;

Хтс — массовая доля твердой фазы целевого вещества в суспензии на входе в агрегат, кг/кг;

Хх п — массовая доля твердой фазы целевого вещества в пасте на выходе из агрегата, кг/кг;

хт ф — массовая доля твердой фазы целевого вещества в фугате на выходе из агрегата, кг/кг;

хт.пр. — массовая доля твердой фазы целевого вещества в кристаллогидратах

сульфатов на выходе из агрегата, кг/кг; хпр.с. — массовая доля сульфатов в суспензии на входе в агрегат, кг/г; хпр.п. — массовая доля сульфатов в пасте на выходе из агрегата, кг/кг; хпр.ф. — массовая доля сульфатов в фугате на выходе из агрегата, кг/кг; Хщ, — массовая доля сульфатов в кристаллогидратах на выходе из агрегата, кг/кг;

У \ — коэффициент, учитывающий отклонение частиц от сферической формы;

£ — функция, связывающая вязкость в суспензии с вязкостью чистой жидкости

и массовой долей твердой вещества (определяется экспериментально); П — число оборотов ротора центрифуги в секунду, с"1; К — количество зон в данной модели; Лг — ширина ("толщина") зоны, м; п тах т> тт

Р ' Р — максимальные и минимальные геометрические размеры ротора, заполненного суспензией, м; )— плотность распределения частиц твердого по размерам;

0 — произвольный объем, м3;

N — количество частиц твердой фазы;

1 — длина ротора центрифуги, м; А,В,С — коэффициенты уравнения;

Бх — некоторая функция радиуса Г и массовой доли X;

У2 — среднеквадратичный радиус (точнее величина пропорциональная ему), м;

Со — концентрация вещества в пересыщенном растворе, г/л;

Сн — растворимость вещества при данных условиях (концентрация насыщения

раствора), г/л; СТ — поверхностное натяжение, НУм; М — молекулярная масса растворенного вещества;

— плотность раствора, кг/м3;

К — газовая постоянная, ; Т — абсолютная температура, К;

— прирост массы кристалла, кг/с;

М2— убыль массы кристалла в процессе растворения в жидкости, кг/с; к] — обобщенная скорость роста кристалла;

к.2 — обобщенная скорость растворения кристалла; Ак — поверхность кристалла, м3; Ас — абсолютное пересыщение раствора, г/л; gl — порядок роста кристалла; Шк — масса кристалла, кг;

— радиус (эквивалентный радиус) кристалла, м; рк— плотность вещества кристалла, кг/м3;

6(1) — функция плотности распределения времени образования зародышей; ]\1К — число кристаллов;

^ — начало (время начала) процесса кристаллизации, с; Гз 5 У А " поправочные коэффициенты; V — объем раствора, м3; Мк — масса вещества кристаллов, кг;

#>(Кк,1:)— функция плотности распределения кристаллов по размерам в зависимости от времени процесса;

9

Индексы

вх — относится к входу;

с — относится к суспензии целевого вещества;

п — относится к пасте целевого вещества;

ф — относится к фугату;

пр — относится к примесям (сульфатам);

кр — кристаллизация;

раст — растворение;

т — относится к твердой фазе;

ж — относится к жидкой фазе;

кин — кинетическая;

л — лобовое;

ц — центробежная;

р — относится к ротору;

н — насыщения;

к — относится к кристаллогидратам сульфатов; тах — максимальный; min — минимальный; * — относится к потерям.

ВВЕДЕНИЕ

Развитие текстильной, полиграфической, кожевенной и других отраслей промышленности, особенно в условиях рыночной экономики, предъявляет повышенные требования к качеству применяемых красителей, среди которых можно выделить две группы: красители растительного происхождения и синтетические красители. Производство красителей растительного происхождения ограничено узкой областью их применения (из-за малой цветовой гаммы и особенностей физико - химических свойств) и недостаточной сырьевой базой, поэтому наиболее перспективным является развитие производства синтетических красителей.

Определяющее влияние на формирование качества синтетических красителей оказывают физико - химические свойства используемых полупродуктов: доля основного вещества и примесей, кислотность, растворимость и др., улучшение которых позволит добиться более высокого и стабильного качества красителей.

В настоящее время вопросы синтеза основного вещества в производстве полупродуктов органических красителей проработаны на достаточно высоком уровне и не требуют доработки или пересмотра химизма основных реакций. Однако, недостаток внимания к таким процессам, как: выделение твердой фазы, очистка суспензий и паст от примесей, сушка и др. приводит к тому, что целевой продукт, в итоге, не отвечает все возрастающим требованиям к качеству полупродуктов органических красителей (высокая и стабильная концентрация целевого вещества, содержание примесей, однородность дисперсного состава, чистота, цветность, термо- и светостойкость). В связи с этим, большое значение приобретает усовершенствование технологических режимов указанных процессов, что приведет к повышению качества целевого вещества.

В виду того, что в производстве большинства полупродуктов органических красителей, к числу которых можно отнести Гамма - кислоту (2-амино-8-

нафтол-6-сульфокислота), И - кислоту ( 2-амино-5-нафтол-7-сульфокислота), однохлористую медь (СигСЬ), на стадии синтеза основного вещества неизбежно образование большого количества (для вышеназванных полупродуктов до 17-23 % в получаемой суспензии, при содержании основного вещества 7-10 %) водорастворимых примесей, процесс их удаления из паст проводят при значительных, в 1.5 -г 2.5 раза превышающих объемы получаемых суспензий, расходах промывных вод и с привлечением дополнительного специального оборудования; при этом, при выборе способа и режима удаления примесей учитывают свойства твердой фазы суспензий полупродуктов органических красителей, характер взаимодействия примесей с целевым веществом и их фазовое состояние.

Как было сказано выше, качество полупродуктов органических красителей в большей степени формируется на стадии отмывки паст. Выбор метода и режима процесса удаления водорастворимых примесей из паст осложняется тем, что в настоящее время вводятся жесткие ограничения на использование водных ресурсов. А другие способы удаления примесей, позволяющие значительно снижать расходы промывных вод, изучены недостаточно и в большинстве химических производств не используются.

В промышленности наибольшее распространение получили методы удаления водорастворимых примесей из паст путем промывки на фильтрах и ре-пульпации (одно- и многостадийной). Однако, их применение дает положительный результат лишь при использовании большого количества промывных вод при температуре, соответствующей максимальной растворимости примесей, т.к. в процессе разделения часть водорастворимых примесей кристаллизуется в порах пасты и их дальнейшее удаление невозможно путем простого вытеснения фильтрата промывной жидкостью.

Как показал анализ существующих методов удаления примесей из паст и суспензий наиболее перспективным для полупродуктов органических красителей может быть метод, основанный на выделении водо-растворимых примесей

путем их кристаллизации с последующим отделением от целевого вещества и заключительной промывке пасты осветленным фильтратом.

Таким образом, исследование кинетики процесса удаления водорастворимых примесей из суспензий полупродуктов органических красителей методом их кристаллизации с последующим отделением от целевого вещества и разработка аппаратурного оформления названного процесса является актуальной задачей, решение которой, на наш взгляд, возможно с привлечением идей и аппарата математического моделирования.

Глава 1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕОРИИ И ТЕХНИКИ УДАЛЕНИЯ НЕОРГАНИЧЕСКИХ ВОДОРАСТВОРИМЫХ ПРИМЕСЕЙ ИЗ СУСПЕНЗИЙ КРАСИТЕЛЕЙ И ИХ ПОЛУПРОДУКТОВ

Для эффективного удаления примесей из полупродуктов органических красителей необходимо располагать информацией о количественных и качественных показателях примесей и полупродуктов, о взаимном влиянии примесей друг на друга и на целевой продукт.

Получение большинства полупродуктов органических красителей осуществляется методом сульфирования [1-3], причем процесс протекает при 5-30 %-ном избытке серной кислоты, поэтому суспензии целевого вещества имеют, для разных продуктов, 3-20 %-�