автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.05, диссертация на тему:Разработка ресурсо- и энергосберегающих технологий термохимической переработки древесных материалов, сопровождающихся выделением парогазовой фазы

На правах рукописи

Зиатдинова Диляра Фариловна

Разработка ресурсо-и энергосберегающих технологий термохимической переработки древесных материалов, сопровождающихся выделением парогазовой фазы

05.21.05 - Древесиноведение, технология и оборудование деревопереработки 05.21.03 - Технология и оборудование химической переработки биомассы дерева; химия древесины

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

28 НОЯ 2013

005540711

Казань-2013

005540711

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Казанский национальный исследовательский технологический университет»

Научный консультант доктор технических наук, профессор

Сафин Рушан Гареевич

Официальные оппоненты: Семенов Юрий Павлович, доктор техни-

ческих наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет леса», профессор кафедры электротехники, теплотехники и энергоснабжения предприятий лесного комплекса (г. Москва)

Войнов Николай Александрович, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный технологический университет», профессор кафедры машин и аппаратов промышленных технологий (г. Красноярск)

Таймаров Михаил Александрович, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Казанский государственный энергетический университет», профессор кафедры котельных установок и парогенераторов (г. Казань)

Ведущая организация ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский госу-

дарственный лесотехнический университет им. С.М.Кирова» (г. Санкт-Петербург)

Защита диссертации состоится 24 декабря 2013 года в 14.00 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.080.12 при Казанском национальном исследовательском технологическом университете по адресу: 420015, г. Казань, ул. К. Маркса, 72, зал заседаний (ауд. В-216).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технологический университет».

Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат технических наук, доцент Е.И. Байгильдеева

Общая характеристика работы

Актуальность темы:

Большинство термохимических процессов переработки древесных материалов сопровождается выделением токсичных парогазовых смесей, оказывающих отрицательное воздействие на окружающую среду. В результате охрана окружающей среды в последние годы стала одной из важнейших проблем, т.к. объемы парогазовых выбросов на предприятиях глубокой переработки древесины составляют сотни тысяч тонн.

К наиболее ярким представителям таких производств в целлюлозно-бумажной промышленности можно отнести периодические процессы варки целлюлозы; в лесохимических предприятиях можно выделить процессы пи-ролизного производства, экстрагирования веществ из коры и зелени древесины; среди деревообрабатывающих предприятий имеются выбросы токсичных парогазовых смесей на производствах плитной продукции, при экструзион-ных процессах, при энергетической переработке древесных отходов.

В настоящее время проблема охраны окружающей среды на этих предприятиях решается путем присоединения к действующему технологическому процессу дополнительного оборудования для улавливания токсичных компонентов из парогазовой смеси. Для снижения концентрации выделяющейся парогазовой среды на многих предприятиях идут по пути интенсификации работы газоочистного оборудования за счет разработки новых контактных устройств, интенсификации гидродинамических режимов контактирования и интенсификации процесса массопередачи путем подбора новых реагентов, сорбентов и катализаторов.

В результате традиционный подход к решению проблем, связанный с усовершенствованием газоочистного оборудования является малоэффективным. Более эффективным является комплексный подход, заключающийся в создании новых технологий и аппаратурных оформлений, включающих в себя систему газоочистки. Такой подход осложнен многообразием явлений, сопровождающих процессы переработки древесных материалов, отсутствием обобщенных методов расчета и схем эффективной реализации конкретных процессов.

Таким образом, научные исследования на основе современных представлений, направленные на создание ресурсо-и энергосберегающих экологически безопасных технологий переработки древесных материалов с новым аппаратурным оформлением, разработка методов их расчета являются актуальной задачей.

Работа выполнялась в рамках государственной научно-технологической программы «Комплексное использование и воспроизводство древесного сырья» в соответствии с координационным планом НИР ВУЗов (код темы ГРНТИ: 87.51.14), а также в соответствии с планом

НИОКР АН РТ (договор подряда № 07.-1.5-229/2004) и в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 20072013 годы» (гос. контраст 16.525.11.5008) по теме: «Создание технологии и опытной установки комплексной переработки отходов лесной промышленности с получением теплоизоляционного материала и моторного топлива».

Целью работы является формирование научно-обоснованных теоретических предпосылок, позволяющих разработать методы расчета и аппаратурного оформления технологических процессов переработки древесных материалов, сопровождающихся выделением токсичных парогазовых смесей.

Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие основные задачи исследования:

- идентификация физической картины процессов термохимической переработки древесных материалов, сопровождающихся выделением парогазовой фазы;

- разработка обобщенной математической модели процессов, сопровождающихся выделением парогазовой фазы;

- разработка алгоритма расчета и моделирования процессов, сопровождающихся выделением парогазовой фазы;

- разработка экспериментального стенда для исследования явлений, протекающих при реализации технологических процессов переработки древесных материалов, сопровождающихся выделением парогазовой фазы, и определения недостающих характеристик этих процессов;

- разработка новых технологических решений по совершенствованию техники и технологий переработки древесных материалов, направленных на сокращение выбросов парогазовой фазы в окружающую среду;

- разработка аппаратурного оформления новых технологических решений;

- выявление перспективных областей применения результатов моделирования и проведенных исследований.

Степень разработанности проблемы:

Вопросами разработки ресурсо-и энергосберегающих технологий занимались Гурьянов А.И., Пашков В.А., Поникаров И.И., Рудобашта С.П., Семенов Ю.П. Значительный вклад в развитие методов расчета и совершенствования газоочистного оборудования внесли Башкиров В.Н., Балабеков B.C., Белевский А.М., Бурдуков А.П., Войнов H.A., Гримитлин М.И., Иза-бельский В.А., Кальверт С., Кельцев Н.В., Маршал С., Максимов В.Ф., Мах-нин A.A., Рамм В.М., Спейшер В.А. и др. В работах Богдановича Н.И., Грачева А.Н., Пиялкина В.Н., Тимербаева Н.Ф., рассматриваются термохимические методы переработки древесных материалов. Исследованием кинетических механизмов и моделированием термического разложения органических

соединений занимались Померанцев В.В., Таймаров М.А., В1аэ1,

R.C.Brown.

Научная новизна: Работа содержит научно-обоснованные технические и технологические решения, направленные на снижение токсичных парогазовых выбросов

в атмосферу на предприятиях ЛПК:

- впервые разработана обобщенная математическая модель термохимических процессов переработки древесных материалов, сопровождающихся выделением парогазовой смеси в атмосферу, основанная на теории теп-ломассопереноса и общих кинетических закономерностях, позволяющая учесть механизм образования и утилизации выбросов;

- разработан алгоритм расчета совмещенных процессов испарения многокомпонентной смеси и её конденсации в замкнутой системе;

- разработаны экспериментальный стенд, методика исследований и обработки данных, позволившие определить основные закономерности и идентифицировать неизвестные параметры процессов, протекающих при термохимической переработке древесных материалов.

- разработана методика расчета режимных параметров и оборудования для процессов термохимической переработки древесных материалов, сопровождающихся выделениями парогазовых смесей;

- выявлены кинетические закономерности совмещенных процессов испарения и конденсации на примере сульфатной варки целлюлозы;

- разработаны рекомендации, направленные на сокращение и исключение парогазовых выбросов при сульфатной варке целлюлозы, термической переработке древесных отходов, экструзии древесно-полимерных композитов, экстракции веществ из древесных материалов;

- моделированием процесса теоретически обоснована и экспериментально подтверждена энерго- ресурсосберегающая технология газоочистки при сульфатной варке целлюлозы (пат. № 2437972);

- предложена новая технология комплексной переработки древесных отходов паровзрывным методом в техническую целлюлозу (пат № 2425917, №2464367);

- разработаны способы переработки древесных отходов в древесный уголь (пат. № 2463331) и метанол (пат. № 2478604);

- разработаны ресурсо- и энергосберегающие технологии и высокоэффективные конструкции оборудования для термической переработки древесных отходов (пат. № 2400671), экструзии древесно-полимерных композитов (пат. № 2422268), экстракции веществ из древесных материалов (пат. № 2404238);

— выявлены новые области использования результатов проведенных исследований для смежных отраслей промышленности, новизна решения которых подтверждена патентами РФ на изобретения;

- научно обосновано и экспериментально подтверждено, что для интенсификации тепломассообменных процессов система улавливания выделяющихся парогазовых смесей при проектировании термохимических процессов должна вписываться в технологический процесс и изолировать его от окружающей среды.

Практическая ценность: Комплексное исследование технологических процессов лесопромышленного комплекса (ЛПК), сопровождающихся выделением парогазовой смеси и разработанные методы расчета позволили: разработать рекомендации по сокращению парогазовых выбросов с технологических процессов термической переработки древесных материалов, экструзии древесно-полимерных композитов, экстракции компонентов из древесных материалов; рекомендовать рациональные режимные параметры этих процессов; создать и реализовать новые технологии термохимической переработки древесных материалов, а также высокоэффективное аппаратурное оформление этих процессов, направленные на сокращение или ликвидацию токсичных парогазовых выбросов.

Разработанные конструкции пилотных установок и методики их расчета могут быть использованы при проектировании производственных комплексов термохимической переработки древесных материалов. Показана возможность реализации результатов исследований в смежных отраслях промышленности.

Разработана рациональная система газоочистки для периодического процесса сульфатной варки целлюлозы, внедрение которой позволит получить значительный экономический эффект за счет снижения экологических платежей и предотвращения экологического ущерба.

Реализация работы: Результаты проведенных в работе исследований реализованы при создании конструкторских решений, методик расчета и конструкторской документации: промышленной установки для улавливания токсичных паров при сульфатной варке целлюлозы на ОАО «МарЦБК»; аппаратурно-технологическом оформлении процесса автогидролиза на ООО «Органика»; усовершенствование технологических процессов: извлечения жирных кислот на Казанском ОАО «Нэфис», зарядки аккумуляторных батарей на ОАО «Нижнекамскшина», производства наполненных пластиков на ГУП «Муромский приборостроительный завод».

Методики расчета процессов переработки древесных материалов, сопровождающихся парогазовыми выбросами, внедрены в научно-исследовательских центрах: ООО «НТЦ РПО», ООО «НПП Термодревпром»,

НТЦ «Альтернативная энергетика», ЗАО «Ласкрафт» и использованы при изготовлении опытно-промышленных аппаратов.

Разработанный экспериментальный стенд, методики расчета и программный продукт внедрены в учебный процесс в рамках курсов: «Технологические процессы и оборудование деревоперерабатывающих предприятий» и «Математическое моделирование процессов в деревообработке». Суммарный эффект от внедрения результатов исследований разработок, оформленных соответствующими актами составляет свыше 6 млн. руб.

Основные положения выносимые на защиту: Решение проблемы, состоящей в создании эффективных технологий и аппаратурном оформлении процессов, сопровождающихся парогазовыми выбросами в атмосферу на основе выявленных режимных параметров и конструктивных характеристик, а именно:

- математическое описание технологических процессов, сопровождающихся парогазовыми выбросами в атмосферу

- результаты математических и экспериментальных исследований совмещенных процессов испарения и конденсации на примере сульфатной варки целлюлозы.

- способы и конструкции установок для осуществления вышеописанных процессов

- методы расчета производственных процессов термохимической переработки древесных материалов, сопровождающихся выделением парогазовой смеси.

Апробация работы:

Основные положения диссертации докладывались и обсуждались:

- на международных симпозиумах: II интернациональном Евроазиатском симпозиуме (Екатеринбург 2007), «Ресурсоэффективность и энергосбережение» (Казань 2005, 2006, 2007);

- на международных конференциях: «Математические методы в технике и технологии» (Санкт-Петербург 2003, Ростов на дону 2003, Кострома 2004), «Актуальные проблемы лесного комплекса» (Брянск 2007), «Актуальные проблемы развития лесного комплекса» ( Вологда 2008), «Экология и ре-сурсо- и энергосберегающие технологии на предприятиях народного хозяйства» (Пенза 2010); «Леса России в 21 веке» (Санкт-Петербург 2010); «Актуальные проблемы и перспективы развития лесопромышленного комплекса» (Кострома 2012);

- на всероссийских конференциях: «Интенсификация тепломассообме-ных процессов, промышленная безопасность и экология» (Казань 2005); «Лесной и химический комплексы - проблемы и решения» (Красноярск 2010); Приоритетные направления развития науки и технологий: доклады (Тула 2010); «Комплексное использование вторичных ресурсов и отходов» (Санкт-Петербург 2011) (Москва 2012, 2013);

- на научно-практических конференциях: «Проблемы использования и воспроизводства лесных ресурсов» (Казань 2006); «Молодая мысль - развитию лесного комплекса» (Братск 2010);

- на научных сессиях по технологическим процессам КГТУ-КНИТУ (Казань 2003-2010).

Результаты работ экспонировались на международной выставке научно-технических достижений в Китае (Шеньян 2009), Австрии (Вена 2012), Международной специализированной выставке-форуме «WASMA-2007», Международном экологическом форуме (Санкт-Петербург 2008), Экологическом форуме «Человек. Природа. Техника» (Казань 2007), Московском международном салоне инноваций и инвестиций (Москва 2010), Международном конкурсе «Экологически безопасная продукция (Москва 2011). На выставке инновационных решений «Биоиндустрия» (Санкт-Петербург 2012).

Технология экстрагирования веществ из древесных материалов (патент № 2404238) удостоена золотой медали на выставке инновационных решений «Биоиндустрия» (Санкт-Петербург 2012).

Установка термической переработки древесных отходов (патент № 2400671) удостоена серебряных медалей на Международной выставке научно-технических достижений в Китае и на международном салоне инновации и инвестиции в Москве.

Технология газификации биомассы награждена медалью и внесена в реестр поставщиков натуральной продукции, отвечающей экологическим требованиям (св-во № 1076).

Публикации. По результатам выполненных исследований автором опубликовано 72 печатные работы, в том числе 3 монографии, 25 статей в ведущих рецензируемых журналах и 21 патентов.

Объем и структура работы: Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и приложений.

Содержание работы:

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, определена цель исследований, отмечена научная новизна и практическая ценность работы.

В первой главе дан анализ современного состояния техники и технологии процессов термохимической переработки древесных материалов. При описании современного состояния процессов термохимической переработки древесины, сопровождаемых парогазовыми выбросами в атмосферу, представлены: характеристики технологических процессов по выбросам в атмосферу, специфические особенности выбросов в целлюлозно-бумажной промышленности; специфические особенности термохимических методов переработки древесины.

Отмечено, что, в соответствии с классификацией отраслей промышленности по экологической опасности для природной среды, предприятия

ЛПК относятся к опасным производствам. Среди этих производств можно выделить: процессы производства целлюлозы, термохимические методы переработки древесины, производства древесно-полимерных композиционных материалов, процессы экстракции веществ из древесных материалов. В результате анализа способов и оборудования для газоочистки от токсичных выбросов отмечено, что на предприятиях ЛПК для очистки выделяющихся парогазовых смесей применяются в основном методы конденсации, абсорбции и каталитической очистки.

При термохимической переработке древесных отходов лимитирующими параметрами, кроме температуры, являются давление и среда протекания процессов. В зависимости от количества, поданного в среду окислителя, могут происходить горение, газификация или пиролиз. При этом массопере-нос осложняется множеством параллельно протекающих химических реакций.

Во второй главе диссертации проведена формализация свойств древесины, существенных для математического описания процессов термохимической переработки древесных материалов, сопровождающихся выделением парогазовой фазы. Рассмотрены основные теплофизические свойства различных пород древесины, влияющие на количественный и качественный состав образующейся парогазовой смеси. Анализ теплофизических свойств древесных материалов, как объектов термохимического разложения показывает, что древесина - сложная многофазовая система с ярко выраженной анизотропией, состоящей из твердой фазы-скелета древесного вещества, жидкой фазы, находящейся в связанном и свободном состоянии, и паровоздушной смеси, заполняющей часть пор древесины, которая не занята жидкой фазой.

Термохимическое разложение древесных материалов является сложным процессом. Он включает в себя множество взаимосвязанных физических и химических процессов, поэтому количественный и качественный состав выделяемой парогазовой смеси зависит не только от теплопереноса, но и последовательности экзотермических и эндотермических реакций, влияющих на давление в материале; изменяющихся свойств материала в зависимости от степени разложения и т.д.

Анализ литературных данных показывает, что древесина достаточно хорошо изучена как объект термохимической переработки. В литературе довольно подробно рассмотрены структурно-сорбционные, массопроводные, тепловые и химические характеристики древесины; имеются эмпирические аппроксимированные зависимости теплофизических, влажностных, термодинамических и химических характеристик; определены в широком диапазоне: числовые значения констант скоростей химических реакций, энергии активации; удельная теплота химических реакций в зависимости от породы древесины, условий разложения; механизм переноса выделяющейся токсичной парогазовой смеси в древесном материале и продуктах разложения.

В справочной литературе содержатся сведения о свойствах древесины основных пород, освещается механизм химических преобразований, а также излагаются теоретические методы анализа параметров состояния древесины при термохимическом разложении.

Для выбора эффективных методов газоочистки необходимо исследование тепломассопереноса, осложненного химическими превращениями, на всех стадиях термохимической переработки древесных материалов и разработка усовершенствованного аппаратурно-технологического оформления конкретных процессов путем разработки аналитических методов прогноза количественного и качественного состава, образующейся парогазовой смеси на разных этапах процесса переработки.

В третьей главе представлена физическая картина процессов термохимической переработки древесных материалов, сопровождающихся парогазовыми выбросами вредных веществ в атмосферу и снабженных совмещенной системой газоочистки.

Структурная схема физической картины процесса (рис. 1) включает в себя участок подготовки древесного сырья 1 (сушка до необходимого влаго-содержания, измельчение до требуемой фракции, прогрев до определенной температуры, предварительная химическая обработка), реактор для проведения термохимического процесса 18 (термомодификация, пластификация,

варка, термическая переработка), участок разгрузки переработанного древесного материала 16 (выдувной резервуар, разгрузочная площадка), систему газоочистки (конденсацию, абсорбцию, адсорбцию, каталитическую очистку).

При необходимости предварительной сушки или прогрева исходного древесного материала до определенных параметров, может быть использована теплота химических реакции.

Любой из аппаратов или группы аппаратов существующего реального технологического процесса на данной схеме изображаются в виде камеры, расположенной в помещении цеха и снабженной патрубками для загрузки компонентов 3 и для отвода из камеры образующейся парогазовоздушной смеси 2. В результате осуществления технологической операции, сопровождаемой химическими реакциями между компонентами композиции, в камере образуются потоки паров и неконденсирующихся газов. Для обеспечения нормальных санитарных условий в помещении (концентрация выделяющихся паров и газов в воздухе рабочей зоны должна поддерживаться на уровне, не превышающем предельно допустимой концентрации - ПДК) камера должна быть сообщена устройством откачки парогазовой смеси с технологического оборудования, также в помещении должна быть приточно-вытяжная вентиляция 9, 19. Для очистки отходящих газов перед выбросом их в атмосферу на линии устанавливаются устройства газоочистки: конденсатор - 5,7, абсорбер 11, адсорбер или их комбинация. Согласно представленной схеме осуществляются существующие процессы переработки древесных материалов на большинстве предприятий ЛПК. Анализ способов осуществления процессов в деревообрабатывающей промышленности по данной схеме позволил выявить несколько возможных вариантов их реализации.

Исследуемый процесс протекает следующим образом. В камеру 18 загружается перерабатываемый древесный материал определенного состава. За счет теплосодержания загружаемых компонентов и теплоты химических реакций, протекающих в результате выполнения технологической операции, в камере повышается температура, и образуются потоки пара и газа. Снижение давления за счет непрерывного отвода образующейся парогазовой смеси приводит к образованию градиента парциального давления, являющегося движущей силой процесса отвода парогазовой смеси из реактора. В результате система переходит в новое состояние. При этом равновесное состояние системы будет характеризоваться новой совокупностью термодинамических параметров: температурой, давлением и составом композиции.

Для исключения выделения образующихся паров и газов в рабочую зону помещений объемная производительность системы откачки должна быть больше суммарной интенсивности образования потоков пара, газа. При этом возможны лишь два источника образования неконденсирующихся газов. Это натекание воздуха через неплотности камеры и химические реакции в зоне выполнения технологической операции. Учитывая значительные габаритные размеры существующего технологического оборудования, необходимо, чтобы давление в свободном объеме камеры оставалось постоянным и равным атмосферному, либо над поверхностью композиции должно поддер-

живаться незначительное разрежение, исключающее выделение в помещение цеха образующихся паров и газов, но не приводящее к превышению критических значений возникающих прочностных напряжений в емкостной аппаратуре. В качестве системы откачки могут быть использованы вентилятор, эжектор или насос, конденсатор, а для очистки отходящих газов - наиболее распространенные методы, такие как абсорбция, адсорбция или их комбинация.

В соответствии с формализацией процесса, древесину рассматриваем как смесь, состоящую из трех главных составляющих: гемицеллюлозы, целлюлозы и лигнина с известными массовыми долями. С учетом принятых допущений изменение массы в единице объема для ¡-го компонента запишется в общем виде

бт, ,

= (1)

Изменение массы газовой фазы в единице объема представлена как сумма массовых потоков за счет конвекции и химических реакций:

--^-+С-Ггц) ■ • Ч-,, + Г / - V К, ■Ул) ■ К ■ тл,

где £ - пористость, определяемая из выражения

= \1-

тдР

(2)

(3)

тдрО

Скорость газового потока определяется по закону Дарси:

Кч АР

"'«=- — •—. (4)

"пг ^

где цпг- динамическая вязкость газа; 1С, - газовая проницаемость частицы К, рассчитывается по формуле:

Кч=(1-1)-Кдр+7}Ку, (5)

где т| - степень химического превращения, определяемая по формуле

, тдр

= (б)

тдР0

Давление газа определяется из уравнения состояния идеальных газов

р = Р™ ■К-Т™

м • (?)

'и пг

где М - молекулярный вес; Я - универсальная газовая постоянная.

Химические процессы образования паров и газов сопровождаются выделением или поглощением тепла, что оказывает значительное влияние на изменение температуры древесного материала и слоя в целом. Предполагаем, что при химическом превращении температура частицы будет равна темпе-

ратуре образующихся газов, а в локальном объеме между компонентами газовой и твердой фаз установлено термодинамическое равновесие. Тогда температура частицы древесного материала будет определяться температурой газового потока, а уравнение сохранения энергии запишется в виде

, дТ дТ( дТЛ дТ

(сгчтгц + с„тч + слт„ + спгт„г )— = — I Л„ — I - тпгс„^„г — + Чгр (8)

Чхр = йгц ■ (~кгц ■ тгц ) + Ч,, ' кц ■ тц ) + <7л • (~кл ■ т , ), (9) где Ь, - коэффициент теплопроводности частицы древесного материала; т -масса вещества в единице объема; я - энергия, выделяемая (поглощаемая) химической реакцией; к - константа скорости химической реакции, определяется по закону Аррениуса:

(Ю)

Дифференциальное уравнение переноса энергии для жидкой фазы имеет вид

Ссмтс,4т + ссмТ(!тс„ + гпшТгл,с1ссм = (11)

" п п п

I 0/, - I Г - I М'Иг + I <7/г +./„£>„.

1=1 ¡=1 ¡=1 ¡=1

Левая часть уравнения (11) определяет изменение теплосодержания жидкой смеси; первое слагаемое правой части характеризует приход тепла с загружаемыми компонентами; второе - потерю тела с уходящими парами компонентов; третье - расход тепла на парообразование; четвертое - теплоту, выделяющуюся в результате химической реакции; пятое слагаемое определяет количество тепла поступающее с острым паром.

Количество тепла, выделяющееся в ходе реализации экзотермической химической реакции, определится выражением вида

п сЕх{у.

Яхр = УжРж (12)

1=1 <Лт

Дифференциальное уравнение переноса массы можно записать соотношением:

п П II (П)

<Ьп с„ = I 0/3</г - £ }г - £ а{РжЛ УС1 г + (Уп<1т . ( '

/=/ 1=1 1 = 1

Левая часть уравнения определяет изменение массы смеси в реакторе; первое слагаемое правой части характеризует изменение массы за счет загрузки компонентов, второе - за счет испарения компонентов, третье - расход компонентов на реакцию, четвертое - изменение за счет подаваемого острого пара.

Изменение теплоемкости смеси определяется из соотношения

¿Сем = .

1=1

Концентрация 1-го компонента меняется за счет испарения, за счет химической реакции и за счет загрузки

^ = ¿Х'исп + ¿хь.р. + ¿Х'з • (15)

Для реальных жидкостей изменение концентрации за счет испарения имеет вид

д. х>в> ат <¡7 ■ (16)

' "сл " ( в А т2 У ■

г^хрул,-^ т г>

Поток массы пара ¡—го компонента с поверхности жидкости при испарении за счет изменившегося парциального давления и температуры жидкой фазы определяется соотношением

. = ¿™шсп ^ тсмсЕ1исп 07)

Л Р-<1т Р-с1т

Скорость химической реакции численно может быть определена изменением весовой концентрации 1-го компонента в единицу времени

Величина скорости прямой реакции в каждый момент времени пропорциональна произведению объемных концентраций реагирующих веществ и определяется из соотношений: для гомогенных систем

= кпС ат ,=/

для гетерогенных систем

ас " (20)

= кр П С1

(1 г /=/

где К - коэффициент массопередачи, осложненный химическим превращением.

При выгрузке реакторов за счет технологического давления с учетом допущения об идеальном перемешивании компонентов парогазовой смеси дифференциальные уравнения материального баланса для компонентов газовоздушной смеси и смеси паров имеют вид: - по газу

ар (21)

)гРз + - ОгеРгв = УСв \

- по пару

¿о (22)

]пР3-Оп Рп-Усе^-.

ах

В уравнении (21) первый член левой части характеризует приток газовых компонентов; второй член - натекание воздуха через имеющиеся неплотности и технологические отверстия; третий — отвод газовоздушной смеси системой откачки. В уравнении (22) первый член левой части характеризует приток паровых компонентов смеси; второй член - отвод образующихся паров системой откачки паров. Правая часть уравнений (21) и (22) представляет собой изменение в объеме аппарата массы газовоздушной и паровой смесей соответственно.

Уравнение теплового баланса паровой смеси определяется по соотношению

Рем с см Уев = с см РТ ^ 1.], ^¿Т - <2 кР см Сел, ТА г . (23)

Алгоритм расчета термохимических процессов переработки древесных материалов, сопровождающихся выбросами парогазовой смеси представлен в виде блок-схемы на рис. 2.

Алгоритм расчета состоит из четырех блоков. В первом блоке вводятся теплофизические характеристики исходных веществ, константы уравнений, варьируемые переменные, величина временного шага и исходные данные для расчета первого шага, задаются условия расчета. Далее представлен цикл, в котором оператором перехода является наличие химической реакции й) ^ 0 , вид химического разложения древесины. При термическом разложении древесины (Т>ТР) расчет ведется на базе системы уравнения (1-5-10). При химическом разложении древесины (Т<ТР), за счет реагентов (например белого щелока), расчет ведется по соотношением (11-К20) с учетом скоростей химических реакций: для гомогенных систем по уравнению (19) или гетерогенных систем по уравнению (20).

При отсутствии химических превращений (при гидротермических процессах) или после завершения химических процессов («у,- = 0) ведется расчет паровой фазы в выдувном резервуаре с использованием упрощенных уравнений теплового и материального баланса (11,13,17), в которых отсутствуют члены, описывающие химические процессы. При учете в паровой фазе неконденсирующихся газов Сг Ф0 расчет ведется с введением системы уравнений, включающей выражение (21).

В четвертом блоке осуществляется выбор системы газоочистки. При отсутствии в выбросах газовой составляющей (сг = о) улов токсичных или ценных компонентов из паровой смеси осуществляется конденсацией. При

этом, если температура конденсации паров не превышает 30 °С, то требуется подготовка хладагента с применением холодильных устройств.

При улавливании ценных Ээфф>0 или токсичных паров, предельно-допустимая концентрация которых мала (С > ПДК), целесообразно применять поверхностные конденсаторы.

Для улавливания парогазовых выбросов (Сг * 0) необходимо устанавливать абсорбера, а для достижения более глубокой очистки при

Су > ПДК{ рекомендуются адсорбционные устройства. При выполнении всех заданных условий происходит завершение работы программы.

В результате расчетов получаем не только кинетические зависимости конкретного технологического процесса, сопровождающегося выделением парогазовой смеси, но и осуществляется выбор системы газоочистки. В четвертой главе представлен экспериментальный стенд (рис. 3), а также рассмотрены результаты физического и математического моделирования процессов испарения и конденсации выделяющейся многокомпонентной парогазовой смеси.

Ш

—-V---------------

к>:Е|, Л. А:. В). X. АО. X,. /Л,,,с^.. д _ ^

Ча. Кг», К,. М;. Ь, 4=

. Рлп<-:<3;. V*.,V., ,Т.,}ШГТК ПХм.Шгаз, «о», о», /5

Т-Т«.Дт.^г, = ДрСм «О..

Ш

Т^-Т» 'у

- * \ 1

■X/ | .1.1-3.1!)

| (5.13-3^-4) [

|Ш

в :гс;

/

с

т- гг

I-

Рис.2. Блок-схема алгоритма расчета

Экспериментальный стенд работает следующим образом. С помощью шнекового дозатора в реактор загружается технологическая щепа. Открываются вентили и при помощи вакуум-насоса — 25 из системы откачивается инертный газ. Реактор вакуумируется, а величина разрежения контролируется по показаниям мановакуумметра - 3. Из емкости - 9 подается раствор химических компонентов через перфорированные трубки - 2, в результате достигается равномерное распределение раствора в технологической щепе.

Реагенты поступают в реактор за счет избыточного давления, создаваемого с помощью сжатого воздуха. Требуемый расход реагентов устанавливается с помощью вентиля — 5 и измеряется объемным расходометром — 6. Подачей острого пара через барботер - 38 регулируется температура и давление в реакторе. Их величина контролируется по показаниям хромель Копелевых датчиков, фиксируемых компьютером - 33, и моновакууметра — 3. По достижению конечной температуры содержимое реактора при необходимости выдерживают. В процессе химической обработки могут производиться, путем открытия вентиля - 4, сдувки парогазовой смеси, образовавшейся в процессе взаимодействия технологической щепы с компонентами. После окончания химического процесса реактор выгружают выдувкой готовой массы в выдувной резервуар - 13, для этого открывают механический затвор 37. В результате целлюлозная масса по трубопроводу поступает в выдувной резервуар 13. Жидкие компоненты, поступающие с древесной массой за счет сброса давления, (реактор 1 до открытия клапана находится под избыточным давлением, а выдувной резервуар под атмосферным) резко вскипают, вследствие чего происходит бурное парообразование с выделением летучих токсичных веществ, таких как сероводород, диметилсульфид, метилмеркаптан. Готовый продукт сливают через патрубок 18 в емкость - 32.

Пары сдувки и вскипания поступают в трехступенчатый конденсатор - 17 и конденсируются. Для поддержания заданных температурных режимов в конденсаторах используют холодильник - 22, охлаждающий теплообменник которого расположен в емкости с рассолом — 21. Хладоагент движется через конденсаторы за счет принудительной циркуляции центробежным насосом - 20, расположенным в емкости — 21. Образующийся конденсат самотеком стекает в сборники с рубашкой — 28, которые снабжены вентилями для отбора проб - 29. Несконденсировавшиеся компоненты откачиваются водоструйным эжекторным насосом - 26. Температурные режимы в конденсаторах подбираются в соответствии с теплофизическими свойствами образующихся паров. Замер температуры жидкости и пара в реакторе, выдувном резервуаре, паропроводах и сборниках осуществляется термопарами - 11, 34, 16 и выводятся на экран монитора персонального компьютера — 33. Расход воды в эжекторе регулируется вентилем — 23 и замеряется счетчиком - 12 марки УВК-30.

Результаты экспериментальных исследований и результаты, полученные математическим моделированием в идентичных условиях, представлены в виде графиков, на которых сплошными линиями изображены данные, полученные расчетным путем, точками — экспериментальные значения. На рис. 4 приведена зависимость давления в системе от производительности по пару для фиксированного значения площади поверхности конденсации, равного 0,3 м , полученная опытным и расчетным путем.

Результаты математического моделирования процесса улавливания паров метилмеркаптана, диметилового эфира, выделяющихся при сульфатной варке целлюлозы, позволяют при заданной скорости разгрузки варочного кртла подобрать необходимый конденсатор (рис. 5). Например, при парообразовании в разгрузочном котле равном 0,5 м3/с требуется площадь

конденсации 11,7 м2. Если же необходимо получить конденсат отдельных фракций, то следует подобрать ряд конденсаторов (рис. 56). В частности, для получения преимущественно конденсата метилмеркаптана и диметилового эфира требуется в соответствии с рассчитанной производительностью системы удаления паров и рационально подобранными температурными режимами в конденсаторах, подобрать два конденсатора с конденсации. Такое аппаратурное

р.п

ДЛ

О щп ЩВ ВДВ ЦП ЦБ ЦП

Рис.4. Зависимость давления в системе от производительности по пару

рассчитанной площадью поверхности

оформление позволяет исключить дорогостоящую стадию разделения смеси метилмеркаптан- диметиловый эфир и использовать полученные продукты в других отраслях промышленности.

я*1

П.Л

3 - /

/у I 2

/ — 11

б)

Рис. 5 Зависимость площади поверхности конденсации от производительности по пару: а -вода; б: 1 - бинарная смесь метилмеркаптан - диметиловый эфир: 2- метилмеркаптан,3- диметиловый эфир

Результаты математического моделирования, проведенного в целях выявления влияния теплофизических свойств улавливаемой жидкости на величину площади поверхности конденсации, представлены на рис.б. Для получения этих кривых в программу расчета вводились различные значения скрытой теплоты парообразования г и удельной теплоемкости ср. Анализ полученных кривых показывает, что увеличение значения удельной теплоемкости и скрытой теплоты парообразования влечет за собой пропорциональное увеличение требуемой поверхности конденсации.

'Л'

Я» 1000 1500 2М0 2500

10» ЯП 30»

а) б)

Рис. 6 График зависимости площади поверхности конденсации от теплофизических свойств улавливаемых компонентов при П„= 0,5 м'/сск: а) от скрытой теплоты парообразования;

б) от удельной теплоемкости улавливаемого компонента

Описанные выше зависимости получены для процесса удаления од-нокомпонентной жидкости. Анализ влияния состава испаряющейся жидкости на площадь поверхности конденсации (рис.7), показал, что увеличение моль-

ной доли диметилсульфида в смеси: метилмеркаптан - диметилсульфид, влечет за собой увеличение необходимой площади конденсации.

На рис. 8 представлены кинетические зависимости общего давления и температуры в реакторе при сульфатной варке целлюлозы. В течении получаса осуществляется нагрев массы с 20°С до 170°С. Варка смеси происходит при 170°С в течение двух часов. Затем происходит выдувка массы в выдувной резервуар, находи дящийся под атмосферным О V « ад 41 < """ давлением. Рис. 7. График зависимости площади поверхности конденсации от мольной доли высококипящего компонента в смеси: метилмеркаптан- диметилсульфид, при П„ = 0,5 м'/с

т. к

а) б)

Рис.8 Кинетические кривые давления (а) и температуры (б) в варочном котле при сульфатной варке целлюлозы

Анализ вышеприведенных кривых показывает, что вследствие герметичности процесса и предварительной откачки инертного газа (воздуха) характер изменения температуры в основном соответствует изменению давления. Небольшое увеличение давления при постоянной температуре объясняется выделением парогазовой смеси состоящей из метилмеркантана, диметилсульфида, сероводорода. При проведении сдувок температура смеси практически не изменяется, это объясняется относительно малым количеством сдуваемых паров по сравнению с общей массой установки.

Изменения давления в выдувном резервуаре представлены кривыми на рисунке 9. При разгрузке варочного котла в выдувной резервуар происходит бурное вскипание черного щелока за счет испарительного охлаждения, что вызывает в нем увеличение давления.

✓ \ > , 1

- ^— \ ■V N N ч

-¡к ( / У ■ \

1

ж

/

в '' к2

/ !) / 1 г N V

Г > Ь

/

а) б)

Рис.9. Кинетические кривые давления в выдувном резервуаре а) при параллельном наращивании конденсаторов: 1 - Р=0.3м2; 2 - 1;=0.6м2,3 - Р=0.9м; б) при двухступенчатой конденсации: 1 - последовательное соединение конденсаторов 2- параллельное соединение конденсаторов

Анализ кривых показывает, что давление в выдувном резервуаре колеблется в значительных пределах от атмосферного давления. Для уменьшения амплитуды колебания желательно точнее рассчитать мощность системы вакуумирования, а также поддерживать оптимальную температуру в выдувном резервуаре после выдувки. Параллельное наращивание поверхности конденсации незначительно влияет на длительность процесса, но позволяет уменьшить избыточное давление в выдувном резервуаре.

При последовательном соединении конденсаторов максимальная амплитуда остаточного давления в выдувном резервуаре (см. рис. 96) будет больше чем при их параллельном соединении. Это объясняется увеличением гидравлического сопротивления системы конденсации. Однако за счет увеличения давления скорость процесса конденсации становится выше, что ведет к повышению эффективности процесса и более быстрому достижению более низких остаточных давлений в выдувном резервуаре.

На рис. 10 приведены зависимости производительности конденсатора от поверхности конденсации и температуры охлаждающего агента.

При получении экспериментальных значений поверхность конденсации увеличивалась путем параллельного подключения конденсаторов. Кривые производительности конденсатора от температуры охлаждающего агента и от поверхности конденсаторов отклоняются от линейного закона. Это объясняется уменьшением средней движущей силы процесса конденсации в процессе выгрузки варочного котла.

а) б)

Рис. 10. Зависимость производительности конденсатора: а) от поверхности конденсации при различных температурах охлаждающего агента: 1-0°С;2-20°С; 3-40°С; б) от начальной температуры охлаждающего агента: 1 - РЮ,9мг; 2 - р=0,6м2,3 - Г=0,3м2

На рис. 11 представлены кинетические зависимости концентрации токсичных компонентов и плотности паровой фазы в выдувном резервуаре. Анализ кинетических кривых изменения концентраций показывает равномерный характер их изменения. Уменьшение концентрации паров раствора черного щелока в выдувном резервуаре связано с тем, что конденсируется в первую очередь высококипящая жидкость, поэтому концентрации остальных компонентов возрастают.

а) б)

Рис. 11. Кинетические кривые: а) концентрации токсичных веществ в выдувном резервуаре: 1 - ме-тилмеркаптан, 2- диметилсульфид, 3 - сероводород, 4- раствор черного щелока;

б) плотности паровой фазы Кинетическая зависимость плотности паровой фазы хорошо согласуется с характером изменения давления в выдувном резервуаре.

Статистическая обработка экспериментальных данных и сопоставление их с расчетными данными показали, что максимальное расхождение между теоретическими и экспериментальными данными не превышает 21%. Это позволяет сделать вывод об удовлетворительном описании реального

термохимического процесса разработанной математической моделью и возможности ее применения для предсказывания рациональных режимных параметров исследуемых технологических процессов переработки древесных материалов, сопровождающихся выбросами токсичных веществ в атмосферу, и проведения инженерных расчетов при аппаратурном оформлении.

Результаты экспериментальных исследований и математического моделирования показывают, что при разгрузке реакторов, работающих под давлением, в разгрузочных емкостях возникают избыточные давления, которые требуют внесения

соответствующих поправок при расчете толщины обечаек выдувных резервуаров.

Методика расчета конструктивных элементов установок термохимических процессов переработки древесных материалов должна бьггь согласована с работой системы конденсации паров выдувки.

В пятой главе приводится описание разработанных технологий и оборудования для организации процессов переработки древесных материалов, сопровождающихся выделением парогазовой фазы (рис. 12).

б

Л 00

о й 2 ч-5 сч

32

&В

§ й

Г) §

Технэпхэгкческиа процеогы переработки древесных материалов, сопровождающиеся выбросами парогаз авоифазхх

/

ПроизЕодстко ногах ххтож лрсщутцкн

/± \ \

г

I к

Б ся

Я С4

1"3

о р

11

Произзодстго целлюлозы

ггз:

рг

а

а К

о

Н-о Д ш

8 см

И

И

11

Термическая переработка древесных

017ХД0Я

Я С— о«л

4) О

П (О

I"

■я .<31

ЙЙ

й а а с

Рис. 12. Классификация разработанных технологий и оборудования для переработки древесных материалов, сопровождающихся выделением парогазовой фазы, защищенных патентами РФ

Разработанные технологии и оборудования, защищенные патентами РФ, предназначены для производства целлюлозы путем варки или автогидролиза; термической переработки древесных отходов сжиганием, газогенера-

циеи, пиролизом; производства новых видов продукции: древесно-стружечных плит, термомодифициро-ванной древесины, метанола, древесного угля, экстрактов.

Высокая концентрация вредных веществ в зоне обслуживания экстру-зионных прессов при производстве древесностружечных плит ликвидирована путем совмещения экструдера (рис. 13) с устройством улавливания пыли и летучих компонентов. Устройство улавливания пыли и летучих компонентов состоит из распиливающего скруббера 15, в верхней части которого размещены конфузорно-диффузорные устройства 16. В межтрубном пространстве конфузорно-диффузорных устройств 16 расположена фильтр-насадка 17 из керамзита. Справа в верхней части скруббера имеется патрубок 18 вывода в атмосферу очищенного воздуха.

Для очистки отходящей парогазовой смеси при производстве целлюлозы от метилмеркаптана, диметилсульфида и сероводорода предложена многоступенчатая система конденсации (рис. 14), с использованием абсорбции неконденсирующихся паров. Парогазовая смесь сероводорода, диметилсульфида и метилмеркаптана поступает в нижнюю часть кожухотрубчатого конденсатора 15. Одновременно в верхнюю часть конденсатора с помощью центробежного насоса 21 по трубопроводу подачи 8 подается охлаждающий агент - раствор хлористого кальция, который охлаждается в теплообменнике 19 с помощью холодильника 20. Сероводород является одной из составляющих парогазовой смеси и кипит при температуре -60,3°С. Чтобы провести полную конденсацию паров воды охлаждающим агентом, необходимо поддерживать температуру парогазовой смеси на входе в конденсатор 15 на оптимальном уровне 40-50°С.

Рис. 13. Установка для получения экструзионных древесно-стружечных плит (патент № 2422268)

Рис. 14, Технологическая схема усовершенствованного процесса сульфатной варки целлюлозы (патент № 2425917, № 2437972)

Несконденсировавшиеся при данной температуре пары диметил-сульфида и метилмеркаптана отводятся по линии 22 в конденсатор 16, на входе которого аналогичным образом поддерживается температура в пределах 17-27°С, что обеспечивает полную конденсацию диметилсульфида, температура кипения которого составляет 37,3°С. Метилмеркаптан, кипящий при 6,8°С, поступающий по линии отвода 22, полностью улавливается в конденсаторе 17 при температуре раствора ниже 0°С. Диметилсульфид и метилмеркаптан в жидком виде собираются в соответствующие емкости 26, 27 путем открытия вентилей 13, 14 соответственно. Отвод несконденсировав-шихся паров сероводорода осуществляется с помощью эжекторного устройства 18, куда подается оборотная вода через вентиль 28. Вся линия отвода паров вскипания изолируется от окружающей среды гидравлическим затвором 23, который позволяет удалить неконденсирующиеся газы, попавший в систему выдувки. По окончании выдувки прекращается подача охлаждающего агента отключением центробежного насоса 21 и закрываются вентили 12, 13, 14 и механические затворы 10, 11. Нагретый парами вскипания охлаждающий агент по линии 9 вновь поступает на охлаждение до заданной температуры в теплообменник 19.

Сжигание древесных отходов, содержащих полимерные включения, сопровождается выделением копоти и токсичных веществ. В связи с этим разработана установка для термической переработки твердых отходов, позволяющая ликвидировать указанные недостатки (патент № 240067). Установка позволяет перерабатывать древесные отходы, содержащие полимерные включения, такие как резина, пластмассы, смолы, полиэтилен и др., а дожигание отходящих газов совместно с пиролизными газами способствует не

только сокращению вредных выбросов в атмосферу, но и повышению КПД установки.

Производство древесного угля в углевыжигательных установках сопровождается выделением в атмосферу большого количества токсичных газов. Применение известных способов газоочистки сопряжено дальнейшими капитальными затратами и характеризуется ненадежностью. В связи с этим были разработаны непрерывно-действующие установки для производства древесного угля (пат. № 2463331, № 2468061).

На рис. 15. представлена схема и внешний вид установки для переработки древесных отходов в древесный уголь, в которой топочные газы, выбрасываемые в атмосферу, очищают от примесей в абсорбере 4 рецеркули-рующим абсорбентом. Образующиеся в зоне пиролиза 5 пирогазы эжектиру-ют сконденсированными в конденсаторе 6 пирогазами, при этом несконден-сированные пирогазы отводят в топку 7 (патент №2184909), т. к. наиболее эффективным способом газоочистки при выделении с технологических процессов горючих газовых выбросов является сжигание.

Рис. 15. Схема и внешний вид установки для производства мелкодисперсного древесного угля (патент № 2463331)

При производстве метанола из отходов деревообработки (патент № 2478604) часть газовой фазы выделяющейся в сепараторе сжигается совместно с пиро-лизным газом в окислительной зоне газификаторов (рис. 16).

Анализ представленных разработок технологий и аппаратурного оформления процессов переработки древесных материалов, сопровождающихся выделением парогазовой фазы показывает, что система газоочистки в них осуществляется методом конденсации, абсорбции, сжигания или их конверсии.

Совершенствование технологий переработки древесных материалов заключается в том, что система газоочистки, выбранная в зависимости от физико - химических свойств улавливаемых компонентов, должна вписываться

в технологический процесс, изолируя тем самым рассматриваемую технологию от окружающей среды.

Рис.16. Установка по производству метанола из отходов деревообработки (патент № 2478604) Такой подход позволяет интенсифицировать тепло-массообменные процессы, протекающие внутри технологического процесса и сократить тем самым габаритные размеры системы газоочистки. При этом часть выделяющихся компонентов может рециркулировать внутри технологического процесса и снизить потребление исходного сырья.

В шестой главе приведены результаты промышленной реализации процессов переработки древесных материалов, сопровождающихся выбросами парогазовой смеси. Для расчета технологических параметров и отдельных систем газоочистки технологических комплексов по переработке древесных материалов приведены методики расчета устройств конденсации паровой смеси, устройств сжигания горючих газов, а также аэродинамический расчет парогазового тракта разработанных технологических комплексов.

Для отработки режимов улавливания паров вскипания, возникающих при выгрузке реакторов, работающих под давлением разработана пилотная установка (см. рис. 17), на которой была проверена в полупромышленных условиях усовершенствованная схема системы газоочистки при сульфатной варке целлюлозы.

Анализ результатов испытаний пилотной установки подтвердил возможность промышленной реализации предложенного способа (Патенты РФ № 2425917, №2437972). Результаты испытаний показали, что разгрузка варочного котла предложенным способом позволяет не только снизить выбросы токсичных паров до ПДК, но и организовать сбор ценных компонентов. Для ликвидации выбросов токсичных веществ в атмосферу, по результатам пилотных испытаний и на основе инженерной методики расчета, была спроектирована усовершенствованная технологическая схема процесса разгрузки варочного котла после сульфатной варки целлюлозы для Map. ЦБК (рис, 18).

Отходящие из бака-аккумулятора газы с температурой 68 °С эжекти-руются через поверхностные конденсаторы 42, 43 с помощью эжектора — 50. Эжектирующей жидкостью является щелочной раствор, который абсорбирует сероводород на первой ступени абсорбции. Вторая ступень абсорбции реализуется в насадочном абсорбере 53.

Рис. 17. Схема и внешний вид пилотной установки для улавливания паров вскипания

Абсорбент в эжектор и на форсунки насадочной колоны подается с помощью центробежного насоса 55 из бака для раствора каустика. Разведенный каустик с концентрацией 90-100 г/л ед>1а20 поступает из цеха регенерации. Отработанный абсорбент возвращается в цех регенерации.

Рис. 18. Усовершенствованная технологическая схема процесса сульфатной варки целлюлозы

Внедрение усовершенствованной технологической схемы разгрузки варочного котла при сульфатной варке целлюлозы исключает выбросы диме-тилсульфида, метилмеркаптана, сероводорода в атмосферу и позволяет получить экономический эффект только от снижения платежей за счет предотвращения экологического ущерба в размере более 2 млн. руб.

Для отработки режимов переработки древесных отходов в техническую целлюлозу или волокнистый полуфабрикат для изготовления теплоизоляционных материалов смонтирована опытно-промышленная установка для паровзрывной обработки (рис. 19), состоящая из парогенератора 2, реактора 5, выдувного резервуара 12, и экстрактора 19.

— - ЖЕ®! У %

^•яа

Рис. ] 9. Схема и внешний вид опытно-промышленной установки для паровзрывной обработки древесных отходов

По результатам приведенных исследований на опытно-промышленной установке были усовершенствованы аналогичные процессы в других отраслях промышленности (рис. 20).

Рис.20. Классификация разработанных технологий, рекомендованных к внедрению в других отраслях промышленности

На ОАО «Нэфис-косметик» внедрены: установка для извлечения жирных кислот из соапстоков (патент № 2171274) установка безреактивного расщепления жиров (патент № 2733001), на ГУП «Муромский приборостроительный завод» усовершенствована технологическая схема получения наполненных пластиков экструзией (патент № 2185961), на ОАО «Нижнекамский шинный завод» внедрено вытяжное устройство на участке зарядки аккумуляторных батарей (патент № 2161349).

Рис.21. Схема и внешний вид промышленной установки для извлечения жирных кислот из соапстока (патент № 217)274)

Внедрение установки для извлечения жирных кислот из соапсточно-го мыла (см. рис. 21) позволяет не только снизить выбросы токсичных веществ до ПДК, но и интенсифицировать процесс разложения соапстока за счет увеличения избыточного давления; а соответственно и температуры варки соапсточного мыла.

Основные результаты работы

1. Применение методического подхода к исследованию технологических процессов переработки древесных материалов позволило впервые научно обосновать и разработать единую методику исследования процессов, сопровождающихся выбросами парогазовыми фазы.

2. На основе единой методики исследований и теории тепломассопере-носа, осложненного химическими превращениями, разработаны методы расчета технологических процессов, сопровождающихся выбросами парогазовых смесей.

3. Разработана обобщенная модель термохимических процессов переработки древесных материалов, сопровождающихся выбросами парогазовой

смеси, позволяющая прогнозировать характер протекания процессов, выявить пути их интенсификации, а также обосновано рассчитать аппаратурное оформление и режимные параметры

4. Предложен алгоритм расчета процессов переработки древесных материалов, сопровождающихся выбросами парогазовой смеси и компьютерная программа для моделирования.

5. Создан экспериментальный стенд для исследования технологических процессов переработки древесных материалов, сопровождающихся выбросами парогазовой фазы. Отдельные решения, положенные в основу стенда, в дальнейшем нашли использование при аппаратурном оформлении технологических процессов переработки древесных материалов, сопровождающихся выбросами парогазовой смеси. Экспериментальный стенд использован в учебном процессе и отраслевой научной лаборатории КНИТУ «Высокоэффективные технологии переработки древесных материалов».

6. По результатам математического моделирования выданы рекомендации по режимным параметрам технологического процесса переработки древесных материалов, сопровождающихся выбросами парогазовой смеси.

7. Предложена новая технология и установка для сульфатной варки целлюлозы, новизна которой подтверждена патентами РФ. Установка принята к внедрению на ОАО «МарЦБК» с ожидаемым экономическим эффектом свыше 2 млн. руб.

8. Разработаны способы переработки древесных отходов в древесный уголь, метанол и техническую целлюлозу

9. Разработаны ресурсо- и энергосберегающие технологии и высокоэффективные конструкции оборудования для термической переработки древесных отходов, экструзии древесно-полимерных композитов, экстракции веществ из древесных материалов.

10. Из анализа результатов математического моделирования технологических процессов переработки древесных материалов, сопровождающихся выбросами парогазовой смеси получены новые решения по усовершенствованию массообменных процессов в других отраслях промышленности внедрены новые перспективные технологии и аппаратурное оформление для проведения процессов: извлечения жирных кислот из соапсточного мыла, безреактивного расщепления жиров, для организации зарядки аккумуляторных батарей.

11. Научные и прикладные результаты исследований переданы предприятиям, научно-исследовательским и проектным организациям в виде методик расчета процессов, отчетов, проектов и рекомендаций для реконструкции и проектирования. Суммарный ожидаемый эффект от внедрения результатов исследования составляет свыше 6 млн. рублей, реальный экономический эффект, подтвержденный актами, составляет 2,6 млн. рублей.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

Монографии:

1. Зиатдинова Д.Ф. Ресурсе- и энергосберегающие технологии и аппаратурное оформление процессов, сопровождающихся выделением газовой фазы: Монография [Текст] /Д.Ф. Зиатдинова, В.Н.Башкиров, Р.Г.Сафин - Казань: КГТУ, 2008. - 168 с.

2. Зиатдинова Д.Ф. Совершенствование технологий переработки древесных материалов, сопровождающихся выделением парогазовой фазы: Монография [Текст] / Д.Ф. Зиатдинова - Казань: КГТУ, 2009. - 140 с.

3. Зиатдинова Д.Ф. Разработка ресурсо и энергосберегающих технологий переработки древесных материалов, сопровождающихся выделением парогазовой фазы: Монография [Текст] / Д.Ф. Зиатдинова. - Казань: КНИТУ, 2013. - 242 с.

Статьи в ведущих рецензируемых научных журналах:

4. Зиатдинова Д.Ф. Совершенствование технологии получения наполненных пластиков [Текст] / Д.Ф. Зиатдинова, Р.Г. Сафин, Н.И. Горбачевский, В.Н. Башкиров, Н.Ф. Тимербаев II Химическая промышленность — 2003 г. - №9 - С. 22-23.

5. Зиатдинова Д.Ф. Математическая модель технологических процессов, сопровождающихся локальными выбросами [Текст] / Д.Ф. Зиатдинова, Р.Г.Сафин, В.Н.Башкиров, Н.И.Горбачевский // Известия вузов: Химия и химическая технология. - 2004 г. - Т.47 - №10 - С. 129-132.

6. Зиатдинова Д.Ф. Термомодификация древесины при кондуктивном подводе тепла в герметичных условиях [Текст] / Д.Ф. Зиатдинова, Н.Ф.Тимербаев, Д.А.Ахметова // Известия высших учебных заведений. Химия и химическая технология. - 2008 г. - Том 51 - Вып. 7 - С. 76-78.

7. Зиатдинова Д.Ф. Исследование зависимости теплотворной способности ТБО от их морфологического состава [Текст] / Д.Ф. Зиатдинова, И.А.Кузьмин, А.Р.Садртдинов, Н.Ф.Тимербаев // Известия высших учебных заведений. Химия и химическая технология. - 2008 г. - Том 51 - Вып. 10 - С. 79-82.

8. Зиатдинова Д.Ф. Комплексный метод очистки топочных газов образующихся при сжигании ТБО [Текст] / Д.Ф. Зиатдинова, А.Р.Садртдинов, Н.Ф.Тимербаев // Известия высших учебных заведений. Химия и химическая технология. - 2008 г. -Т.51 - Вып. 10 - С. 79-82.

9. Зиатдинова Д.Ф. Совершенствование технологии извлечения жирных кислот из соапстока [Текст] / Д.Ф. Зиатдинова, Р.Г. Сафин, Н.Ф. Тимербаев, А.Н. Смирнова // Известия высших учебных заведений. Химия и химическая технология. -2009 г. - Т.52 - вып. 5 - С.109-111.

10. Зиатдинова Д.Ф. Энергосберегающая технология системы газоочистки при безреакгивном расщеплении жиров [Текст] / Д.Ф. Зиатдинова, Н.Ф.Тимербаев, Р.Г.Сафин // Известия ВУЗов. Проблемы энергетики. - 2009 г. - № 5 - 6. - С. 80-84.

11. Зиатдинова, Д.Ф. Разработка технологии производства целлюлозы и побочных продуктов в виде спиртов, дрожжей, фурфурола из низкокачественной древесины [Текст] / Д.Ф. Зиатдинова // Вестник Московского государственного университета леса - Лесной Вестник. - 2010 г. - №4 (73). - С.84-87.

12. Зиатдинова Д.Ф. Экспериментальные исследования переработки древесной зелени хвойных пород [Текст] / Д.Ф. Зиатдинова, А.Е. Воронин, P.P. Сафин // Вестник Московского государственного университета леса - Лесной Вестник. — 2010 г. -№4 (73)-С. 87-91.

13. Зиатдинова Д.Ф. Усовершенствование системы газоочистки в производстве целлюлозы и побочных продуктов в виде спиртов, дрожжей, фурфурола при безреактивном расщеплении отходов деревообработки [Текст] / Д.Ф. Зиатдинова, Р.Г. Сафин, М.А. Мазохин, P.P. Зиатдинов, Д.А. Ахметова // Вестник Казанского технологического университета. - 2010 г. - №10 - С. 574 -578.

14. Зиатдинова, Д.Ф. Совершенствование системы газоочистки при сульфатной варке целлюлозы [Текст] /Д.Ф. Зиатдинова, Р.Г. Сафин, М.А. Мазохин, P.P. Зиатдинов, Д.А. Ахметова // Вестник Казанского технологического университета. -2010 г. -№11 - С. 166-170.

15. Зиатдинова Д.Ф. Комплексная переработка древесных отходов паровзрыв-ным методом в аппарате высокого давления [Текст] / Д.Ф. Зиатдинова, Д.Б. Просвирников, Е.И. Байгильдеева, Р.Г. Сафин // Вестник Казанского технологического университета.-2011 г. - №2 - С. 124-131.

16. Зиатдинова Д.Ф. Современное состояние техники и технологии производства древесной массы сбросом давления [Текст] / Д.Ф. Зиатдинова, P.P. Зиатдинов, Р.Г. Сафин // Вестник Казанского технологического университета. - 2011г. №7 - С. 53-57.

17. Зиатдинова Д.Ф. Исследование влияния высокотемпературной обработки на свойства продуктов, полученных методом паровзрывного гидролиза лигноцеллюлозного материала [Текст] / Д.Ф. Зиатдинова, ДБ. Просвирников, Р.Г. Сафин // Вестник Казанского технологического университета. -2011г. -Т. 14 -№12 - С. 58-66.

18. Зиатдинова Д.Ф. Извлечение примесей из древесно-волокнистой массы, полученной при обработке лигноцеллюлозного материала высокотемпературным па-ровзрывным автогидролизом [Текст] / Д.Ф. Зиатдинова, Р.Г. Сафин, Д.Б. Просвирников // Вестник Казанского технологического университета. - 2011г. - Т.14 - №12 - С. 70-77.

19. Зиатдинова Д.Ф. Разработка опытно-промышленной установки для разделения лигноцеллюлозного материала на компоненты методом высокотемпературного парового гидролиза [Текст] / Д.Ф. Зиатдинова, Д.Б. Просвирников, Р.Г. Сафин // Вестник Казанского технологического университета. - 2011г. - Т.14 - №12 - С. 93-101.

20. Зиатдинова Д.Ф. Математическое описание процесса разволокнения высоковлажной древесной частицы сбросом давления [Текст] / Д.Ф. Зиатдинова, P.P. Зиатдинов // Вестник Казанского технологического университета. - 2011г. - №7 - С. 6268.

21. Зиатдинова Д.Ф. Усовершенствование промышленной установки для улавливания паров с выдувного резервуара при сульфатной варке целлюлозы [Текст] / Д.Ф. Зиатдинова, Р.Г. Сафин, Д.Ш. Гайнуллина, М.А. Мазохин // Вестник Казанского технологического университета. - 2011г. - Т.14 - №14 - С. 215-219.

22. Зиатдинова Д.Ф. Экспериментальный стенд для исследования процесса прогрева древесных частиц в среде насыщенного пара и явлений, сопровождающих процесс при сбросе давления [Текст] / Д.Ф. Зиатдинова, Р.Г. Сафин, М.А. Мазохин, P.P. Зиатдинов // Вестник Казанского технологического университета. - 2011 г. - Т.14 -№15-С. 205-209.

23. Зиатдинова, Д.Ф. Моделирование процесса выгрузки варочного котла при переработки древесных отходов [Текст] / Д.Ф. Зиатдинова, Р.Г. Сафин, Д.Ш. Гайнуллина, М.А. Мазохин, P.P. Зиатдинов // Вестник Казанского технологического университета. - 2011 г. Т.14 - №18 - С. 76-80.

24. Зиатдинова Д.Ф. Анализ современного состояния производства теплоизоляционных материалов и возможности создания новых материалов на основе отходов деревообработки [Текст] / Д.Ф. Зиатдинова, Р.Г. Сафин, Н.Ф. Тимербаев, Л.И. Леваш-ко // Вестник Казанского технологического университета. — 2011 г. -Т. 14 - №18 - С. 63-68.

25. Зиатдинова Д.Ф. Гипотетическая схема процессов физико-химической переработки древесных материалов, сопровождающихся выбросами вредных веществ в атмосферу [Текст] / Д.Ф. Зиатдинова, Р.Г. Сафин, Д.Ш. Гайнуллина // Вестник Казанского технологического университета.- 2013 г. - Т.16 - №6 - С. 43-^6.

26. Зиатдинова Д.Ф. Современное состояние техники и технологии переработки древесных материалов, сопровождающихся выделением парогазовой фазы [Текст] / Д.Ф. Зиатдинова // Вестник Казанского технологического университета— 2013 г. -Т.16-№18-С. 74-78.

27. Зиатдинова Д.Ф. Математическое описание термохимических процессов переработки древесных материалов, сопровождающихся выбросами парогазовой фазы [Текст] / Д.Ф. Зиатдинова // Вестник Казанского технологического университета-2013 г. - Т.16 - №18 - С. 66-69.

28. Зиатдинова Д.Ф. Моделирование термохимических процессов переработки древесных материалов, сопровождающихся выбросами парогазовых смесей [Текст] / Д.Ф. Зиатдинова // Вестник Казанского технологического университета — 2013 г. -Т.16-№18-С. 70-73.

Патенты:

29. Патент №2161349 Российская Федерация, МПК Н 01 М 2/12. Вытяжное устройство для аккумуляторов / Р.Г.Сафин , В.Н.Башкиров, В.АЛашков, Д.Ф. Зиатдинова, А.А.Нелюбин, А.Ф. Вахитов и др.; патентообладатель ООО «Научно - технический центр по разработке прогрессивного оборудования»; опубл. 20.04.2010.

30. Патент №2171274 Российская Федерация, МПК С И Д 13/02. Установка для извлечения жирных кислот из соапстока / Р.Г.Сафин; В.Н.Башкиров; В.АЛашков; Г.И.Самойлов; Ф.С.Зиатдинова; Д,Ф. Зиатдинова и др.; патентообладатель ООО «Научно — технический центр по разработке прогрессивного оборудования»; опубл. 27.07.2001.

31. Патент № 2175001 Российская Федерация, МПК С 11 В 13/00. Установка безреактивного расщепления жиров / Р.Г.Сафин, В.Н.Башкиров, В.А.Лашков, Г.И.Самойлов, ГИ.Сунгатуллина, Д.Ф. Зиатдинова и др.; патентообладатель ООО «Научно — технический центр по разработке прогрессивного оборудования»; опубл. 20.10.2001.

32. Патент №2184909 Российская Федерация, МПК Р 23 О 7/06. Установка для сжигания газовых выбросов / Р.Г.Сафин, В.АЛашков, О.И.Окишев, А.А.Нелюбин, Д.Ф. Зиатдинова, Р.Т. Шияпоа и др.; патентообладатель ООО «Научно — технический центр по разработке прогрессивного оборудования»; опубл. 03.05.2000.

33. Патент № 2185961 Российская Федерация, МПК В 29 С 47/76. Установка для получения наполненных пластиков, преимущественно стекловолокнита / Р.Г.Сафин, В.АЛашков, Е.К.Воронин, О.И.Окишев, А.А.Нелюбин, Д.Ф. Зиатдинова и др.; патентообладатель ООО «Научно — технический центр по разработке прогрессивного оборудования»; опубл. 28.03.2001.

34. Патент № 2200284 Российская Федерация, МПК Г 25 Д 9/00. Пароэжекторная установка для охлаждения воды / Р.Г.Сафин, В.А.Лашков,

А.А.Нелюбин, А.В.Петрова, Р.Р.Сафин, Е.К.Воронин, В.Н.Александров, Р.Х.Сафиуллина, Д.Ф. Зиатдинова; патентообладатель ООО «Научно - технический центр по разработке прогрессивного оборудования»; опубл. 27.06.2011.

35. Патент № 2343948 Российская Федерация МПК В 01 D 3/00 Установка для перегонки в токе носителя / В.А.Лашков, Р.Р.Сафин, С.Г.Кондрашева, Р.Г.Сафин, Ф.А.Арсланов, Н.Ф.Тимербаев, А.А.Нелюбин, Д.А.Мухаметзянова, А.Е.Воронин, Д.Ф. Зиатдинова; патентообладатель ООО «Научно — технический центр по разработке прогрессивного оборудования»; опубл. 14.11.06.

36. Патент №2351642 Российская Федерация, МПК С 11 Д 9/02. Установка для получения хвойного экстракта / Сафин P.P., Башкиров В.Н., Сафин Р.Г, Воронин А.Е., Тимербаев Н.Ф., Д.Ф. Зиатдинова; патентообладатель ООО «Научно -технический центр по разработке прогрессивного оборудования»; опубл. 16.05.2007.

37. Патент № 2400671 Российская Федерация, МПК F23G 5/027. Установка для термической переработки твердых отходов / Н.Ф. Тимербаев, Д.Ф. Зиатдинова, P.P. Сафин, А.Р. Садртдинов, Р.Г. Сафин, И.А. Кузьмин, Е.Ю. Разумов, P.P. Миндубаев; патентообладатель ГОУ ВПО «Казанский государственный технологический университет»; опубл. 27.09.2010.

38. Патент № 2404238 Российская Федерация, МПК С11В 9/02. Способ комплексной переработки древесной зелени / P.P. Сафин, А.Е. Воронин, Р.Г. Сафин, Е.Ю. Разумов, Е.К. Воронин, П.А. Кайнов, Д.Ф. Зиатдинова, Н.Ф. Тимербаев; патентообладатель ООО «Научно - технический центр по разработке прогрессивного оборудования»; опубл. 20.11.2010.

39. Патент № RU 2413044. Российская федерация, МПК.... Реактор для непрерывного автогидролиза / Р.Г.Сафин, Р.Р.Сафин, Д.Б .Просвирников, Р.Р.Зиатдинов, Д.Ф. Зиатдинова; патентообладатель ООО «Научно — технический центр по разработке прогрессивного оборудования»; опубл. 27.02.2011.

40. Патент № 2422266 Российская Федерация, МПК В27К 5/00. Способ термообработки древесины / P.P. Сафин, Р.Г. Сафин, Е.Ю. Разумов, Н.Ф. Тимербаев, Зиатдинова Д.Ф., Хайрутдинов С.З., Кайнов П.А., Хасаншин P.P., Воронин А.Е., А.Р. Шайхутдинова; патентообладатель ООО «Научно - технический центр по разработке прогрессивного оборудования»; опубл. 27.06.2011.

41. Патент № 2422268 Российская федерация, МПК B27N 3/28 Установка для получения экструзионных дрсвесно-стружечных плит / Р.Г.Сафин, Р.Р.Сафин, Е.Ю.Разумов, Н.Ф. Тимербаев, А.В.Дерзаева, М.А. Мозохин, П.А.Кайнов, А.Р. Зиат-динов, А.Е.Воронин, Т.Н.Ахтямова, Д.Ф. Зиатдинова; патентообладатель ООО «Научно — технический центр по разработке прогрессивного оборудования»; опубл. 27.06.2011.

42. Положительное решение по заявке на изобретение № RU 2425917. Российская федерация, МПК D21C 3/02 Способ получения сульфатной целлюлозы / Р.Г.Сафин, Р.Р.Сафин, ДБ.Просвирников, Р.РЗиатдинов, Т.Д.Просвирникова, Д.Ф. Зиатдинова; патентообладатель ООО «Научно - технический центр по разработке прогрессивного оборудования»; опубл. 10.08.2011.

43. Патент № 2437972. Способ получения сульфатной целлюлозы / Р.Г.Сафин ,Р.Р.Сафин, Д.Б.Просвирников, Р.Р.Зиатдинов, Д.Ш.Гайнуллина, Д.Ф. Зиатдинова ГОУ ВПО «Казанский государственный технологический университет»; опубл. 27.12.2011.

44. Патент №2453768 Российская Федерация, МПК F23G 5/027 Газогенератор для газификации влажного топлива / P.P. Сафин, Р.Г.Сафил, Е.Ю. Разумов, Н.Ф. Ти-мербаев, А.Е. Воронин, А.Р. Садртдинов, А.Р.Хисамеева, Д.Ф. Зиатдинова; патентообладатель ООО «Научно - технический центр по разработке прогрессивного оборудования»; опубл. 20.06.2012.

45. Патент № 2463331 Российская Федерация МПК С10В 53/02 Способ производства древесного угля / Н.Ф. Тимербаев, Д.Ф. Зиатдинова, P.P. Сафин, Р.Г.Сафин, И.И. Хуснуллин, В.В. Степанов, А.Е. Воронин, Д.А. Ахметова; патентообладатель ООО «Научно - технический центр «Альтернативная энергетика»»; опубл. 10.10.2012.

46. Патент № 2464367 Российская Федерация Установка для поучения технической целлюлозы взрывным методом / Р.Г.Сафин, Р.Р.Сафин, Д.Б.Просвирников, Р.Р.Зиатдинов, Н.Ф Тимербаев, Д.Ф. Зиатдинова патентообладатель ГОУ ВПО «Казанский государственный технологический университет»; опубл. 20.10.2010.

47. Патент № 2468061 Российская Федерация МПК С10В1/04 Установка для производства древесного угля Н.Ф. Тимербаев, Д.Ф. Зиатдинова, P.P. Сафин, Р.Г.Сафин, А.Е. Воронин, А.Р. Садртдинов, И.И. Хуснуллин; патентообладатель ООО «Научно - технический центр «Альтернативная энергетика»»; опубл. 27.11.2012.

48. Патент № 2478604 Российская Федерация, МПК С07С 29/145, C10J 3/84, В01J 8/06 (2006.01). Способ получения метанола / Тимербаев Н.Ф., Сафин P.P., Сафин Р.Г, А.Р.Хисамеева, А.Р.Садртдинов, Д.А.Ахметова, М.Б.Бадрутдинов, Г.А.Шабаева, Л.В.Ширяева, Д.Ф. Зиатдинова; патентообладатель ООО «Научно — технический центр по разработке прогрессивного оборудования»; опубл. 10.04.2013.

49. Патент № 2481528 Российская федерация, МПК F23G5/027. Высокотемпературная установка для термической переработки твердых медицинских отходов / Н. Ф. Тимербаев, Р. Г.Сафин, Р. Р.Сафин, А. Е. Воронин, А. Р.Садртдинов, 3. Г.Саттарова, Д.Ф. Зиатдинова; патентообладатель ООО «Научно - технический центр по разработке прогрессивного оборудования»; опубл. 10.05.2013.

Публикации в прочих изданиях:

50. Зиатдинова Д.Ф. Совершенствование технологических процессов, сопровождающихся выбросами токсичных веществ [Текст] / Д.Ф. Зиатдинова, Р.Г. Сафин, В.Н. Башкиров, А.Ш. Беляев, Н.Ф. Тимербаев П Тепло-массообменные процессы и аппараты химической технологии: Межвузовский тематический сборник научных трудов / - Казань: КГТУ - 2002 г. - С.68-72.

51. Зиатдинова Д.Ф. Моделирование химических процессов, протекающих в герметичных условиях [Текст]/ Д.Ф. Зиатдинова, Р.Г. Сафин, Н.Ф. Тимербаев, В.Н. Башкиров // Математические методы в технике и технологиях: «ММТТ-15» - Тамбов: ТГТУ - 2002 г. - Т.4 - С.66-67.

52. Зиатдинова Д.Ф. Разработка математической модели технологических процессов сопровождающихся химическими превращениями [Текст] 1 Д.Ф. Зиатдинова, Р.Г.Сафин // Лесной и химический комплексы: проблемы и решения: тез.докл. Все-рос.науч-прак.конф.ун-т — Красноярск - 2003 г. - С.296-301.

53. Зиатдинова Д.Ф. Математическая модель технологических процессов, сопровождающихся локальными выбросами [Текст] / Р.Г.Сафин, В.Н.Башкиров, Н.Ф.Тимербаев, Д.Ф. Зиатдинова // Математические методы в технике и технологиях: «ММТТ-16» -Ростов-на-Дону: РГАСХМ-2003 Г.-Т.4-С.37-39.

54. Зиатдинова, Д.Ф. Совершенствование оборудования в технологических процессах получения наполненных пластиков [Текст] / Р.Г.Сафин, Н.Ф.Тимербаев, В.Н.Башкиров, Д.Ф. Зиатдинова // Математические методы в технике и технологиях: «ММТТ-16» - Санкт-Петербург: СПБГТИ(ТУ) - 2003 г. -Т.10 - С.37-38.

55.3иатдинова, Д.Ф. Моделирование технологических процессов сопровождающихся химическими превращениями [Текст] / Д.Ф. Зиатдинова, Р.Г.Сафин, Н.Ф.Тимербаев // Математические методы в технике и технологиях: «ММТТ-17» -Кострома - 2004 г. - Т.9 - С.22-24.

56. Зиатдинова Д.Ф. Совершенствование системы газоочистки при зарядке аккумуляторный батарей [Текст] / Д.Ф. Зиатдинова, Н.Ф.Тимербаев, Д.А.Мухаметзянова // Материалы всероссийской научно-технической конференции «Интенсификация тепло-массообменных процессов, промышленная безопасность и экология». - Казан: КГТУ- 2005г. - С.128-130.

57. Зиатдинова Д.Ф. Термомодификация древесины в вакуумно-кондуктивной сушилке [Текст] / Д.Ф. Зиатдинова, Р.Р.Сафин, ДА.Ахметова, Н.Ф.Тимербаев // Сборник научных трудов «Актуальные проблемы лесного комплекса» - Брянск: БГИТА -2007.- С. 192.

58. Зиатдинова Д.Ф. Усовершенствование технологического процесса вакуум-кондуктивной сушки пиломатериалов [Текст] / Д.Ф.Зиатдшюва, Р.Г.Сафин, Р.Р.Сафин // Материалы II интернационального Евроазиатского симпозиума. - Екатеринбург -2007,- С.36-37.

59. Зиатдинова Д.Ф. Влияние термообработки на сорбционные характеристики древесины [Текст] / Д.Ф. Зиатдинова, Н.Ф. Тимербаев, ДА Ахметова, А.И. Ахметзя-нов // Материалы международной научно-технической конференция «Актуальные проблемы развития лесного комплекса». - Вологда - 2008 г. - С. 100-101.

60. Зиатдинова ДФ. Влияние термообработки на эксплуатационные характеристики изделий из древесины [Текст] / Д.Ф. Зиатдинова, Н.Ф.Тимербаев, ДА.Ахметова, З.Р.Мустафин // Материалы международной научно-технической конференция «Актуальные проблемы развития лесного комплекса». - Вологда - 2008 г.-С. 101-102.

61. Зиатдинова Д.Ф. Разработка безотходной технологии получения целлюлозного волокна и побочных продуктов в виде спиртов, дрожжей и фурфурола с усовершенствованием системы газоочистки [Текст] / А.Р. Зиатдинов, Д.Ф. Зиатдинова // Молодая мысль - развитию лесн. компл.: Материалы 11 науч-тех конф. Студентов и магистрантов. - Братск: ГОУ ВПО «БрГУ» - 2010 г. - С.26.

62. Зиатдинова Д.Ф. Совершенствование системы газоочистки при сульфатной варке целлюлозы [Текст] / Д.Ф. Зиатдинова, М.АМазохин // Молодая мысль - развитию леей, компл.: Материалы 11 науч-тех конф. Студентов и магистрантов. - Братск: ГОУ ВПО «БрГУ» - 2010. - С.28.

63. Зиатдинова Д.Ф. Математическая модель технологического процесса разгрузки варочного котла [Текст] / Д.Ф. Зиатдинова, М.А. Мазохин, P.P. Зиатдинов // Лесной и химический комплексы - проблемы и решения. Сборник статей по матер. Всерос.мауч.-практ. Конф. Посвященной 80-летию СибГТУ. — Красноярск: СибГТУ -2010 г. -Том2-С.132-134.

64. Зиатдинова Д.Ф. Улавливание ценных компонентов из парогазовой смеси при сульфатной варке целлюлозы путем усовершенствования системы газоочистки [Текст] / Д.Ф. Зиатдинова, М.А. Мазохин, P.P. Зиатдинов // Лесной и химический

комплексы — проблемы и решения. Сборник статей по матер. Всерос.науч.-практ. Конф. Посвященной 80-летию СибГГУ. - Красноярск: СибГТУ - 2010 г - Том 2 -С. 134-136.

65. Знатдинова Д.Ф. Математическая модель технологического процесса разгрузки котлов, работающих под повышенным давлением [Текст] / М.А. Мазохин, P.P. Зиатдннов, Р.З. Загаров, С.И. Кузнецов, Д.Ф. Зиатдинова И Экология и ресурсо- и энергосберегающие технологии на предприятиях народного хозяйства: сборник статей X Международной науч.-практ. конференции. - Пенза: Приволжский Дом знаний -2010 г.-С.85-87.

66. Зиатдинова Д.Ф. Математическое описание технологического процесса разгрузки варочных котлов, работающих под повышенным давлением [Текст] / Д.Ф. Зиатдинова, С.И. Кузнецов, Р.З. Закиров, P.P. Зиатдннов, М.А. Мазохин // Приоритетные направления развития науки и технологий: доклады VIII Всерос. Научно-техн.конф.; под общ.ред. Э.М. Соколова.- Тула: Из-во «Инновационные технологии» -2010 г. - С.159-161.

67. Зиатдинова Д.Ф. Получение целлюлозы путем автогидролиза [Текст] / Д.Ф. Зиатдинова, Д.Б. Просвирников, H.A. Кузьмин // Леса России в 21 веке: Материалы четвертой международной научно-практической интернет конференции. Июль 2010г. - Санкт-Петербург. - 2010 г. - С. 153-157.

68. Зиатдинова Д.Ф. Совершенствование системы газоочистки при сульфатной варке целлюлозы [Текст] / Д.Ф. Зиатдинова, М.А. Мозохин // «Актуальные проблемы и перспективы развития лесопромышленного комплекса» Материалы международной научно-технической конференции ФБОУ ВПО КГТУ - Кострома - 2012 г. - С. 89-92.

69. Зиатдинова Д.Ф. Разработка энерго и ресурсосберегающей технологии газоочистки при сульфатной варке целлюлозы [Текст] / Д.Ф. Зиатдинова // «Деревообрабатывающая промышленность» - 2012 г. —С.18-23.

70. Зиатдинова Д.Ф. Усовершенствование технологического оборудования с целью предотвращения токсичных выбросов / Башкиров В.Н., Зиатдинова Д.Ф., Беляев А.Ш. // Аннотация сообщений научной сессии КГТУ. - Казань, 2003. - С.121.

71. Зиатдинова Д.Ф. Технологические процессы и оборудование деревообрабатывающих производств: лабораторный практикум / Р.Г. Сафнн [и др.]. — Казань: Изд-во Казан, гос. технол. ун-та, 2007. - 164 с.

72. Зиатдинова Д.Ф. Современные проблемы науки о заготовке и переработке древесины: учебное пособие / Р.Г. Сафин, Д.Ф. Зиатдинова, Д.Ш. Гайнуллина; М-во образ, и науки РФ, Казан, гос. техноло. ун-т. - Казань: КГТУ, 2010. —200 с.

\

Формат60x84/16 Тираж 100. Подписано к печати 18.11.2013г.

Печать офсетная. Усллл. 1,50. Заказ 233.-

Издательство КГАУ/420015 г.Казань, улХМаркса, д.65 Лицензия на издательскую деятельность код 221 ИД №06342 от 28.11.2001 г. Отпечатано в типографии КГАУ 420015 г-Казань, ул.К.Марксу д.65. Казанский государственный аграрный университет

Министерство образования и науки России Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Казанский национальный исследовательский технологический университет»

На правах рукописи

05201450457

ЗИАТДИНОВА ДИЛЯРА ФАРИЛОВНА

РАЗРАБОТКА РЕСУРСО-И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЙ ТЕРМОХИМИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ДРЕВЕСНЫХ МАТЕРИАЛОВ, СОПРОВОЖДАЮЩИХСЯ ВЫДЕЛЕНИЕМ ПАРОГАЗОВОЙ ФАЗЫ

05.21.05 - Древесиноведение, технология и оборудование деревопереработки 05.21.03 - Технология и оборудование химической переработки биомассы

дерева; химия древесины

диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант -доктор технических наук, профессор Сафин Р.Г.

Казань 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 8

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ТЕХНИКИ И ТЕХНОЛОГИЙ ПРОЦЕССОВ ХИМИЧЕСКОЙ 16 ПЕРЕРАБОТКИ ДРЕВЕСНЫХ МАТЕРИАЛОВ

1.1. Современное состояние процессов химической термохимической переработки древесины, сопровождаемых 16 парогазовыми выбросами вредных веществ в атмосферу

1.1.1 .Характеристика технологических процессов по выбросам токсичных веществ

1.1.2. Специфические особенности выбросов в целлюлозно-

23

бумажном производстве (ЦБП)

1.1.3. Специфические особенности термохимических методов

30

переработки древесины

1.2. Анализ способов и оборудования газоочистки от токсичных

37

выбросов

1.3. Основы теории тепломассопереноса в процессах,

44

используемых для газоочистки

1.3.1. Тепломассоперенос в паровой фазе реакторов при совмещенных процессах испарения и конденсации 44 многокомпонентных смесей

1.3.2. Тепломассоперенос в процессах абсорбции 50

1.3.3. Основные подходы к математическому описанию

59

процессов термохимической переработки древесины Выводы

66

ГЛАВА 2. ФОРМАЛИЗАЦИЯ СВОЙСТВ ДРЕВЕСИНЫ 67

2.1. Состав древесины 67

2.2. Термохимическое разложение древесины 70

2.2.1. Термопревращения целлюлозы 73

2.2.2. Термопревращения лигнина 75

2.3. Структурно-механические свойства древесных материалов 77

2.4. Массопроводные и теплофизические свойства древесины 79

2.5. Свойства и применение продуктов химического разложения

как теплоносителя 86

Выводы 89

Постановка задач исследования 90

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА ОБОБЩЕННОЙ МОДЕЛИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПЕРЕРАБОТКИ

92

ДРЕВЕСНЫХ МАТЕРИАЛОВ, СОПРОВОЖДАЮЩИХСЯ ВЫБРОСАМИ В АТМОСФЕРУ

3.1. Физическая картина технологических процессов,

92

сопровождающихся парогазовыми выбросами

3.2. Формализация гипотетического технологического процесса 97

3.3. Разработка обобщенной математической модели процессов переработки древесных материалов, сопровождающихся 98 парогазовыми выбросами

3.4. Алгоритм расчета термохимических процессов переработки древесных материалов

Выводы

115

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ И МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА

116

ГАЗООЧИСТКИ ПРИ ТЕРМИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКЕ ДРЕВЕСНЫХ МАТЕРИАЛОВ

4.1. Разработка экспериментальной установки для исследования термохимических процессов переработки древесных материалов,

сопровождающихся выбросами токсичных веществ в атмосферу

4.2. Методика проведения экспериментов 121

4.3. Результаты исследований термохимических процессов переработки древесных материалов

Выводы 133

ГЛАВА 5. РАЗРАБОТКА НОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ И ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ПРОЦЕССОВ ПЕРЕРАБОТКИ ДРЕВЕСНЫХ МАТЕРИАЛОВ, СОПРОВОЖДАЮЩИХСЯ ВЫДЕЛЕНИЕМ ПАРОГАЗОВОЙ СМЕСИ

5.1.Совершенствование технологий гидротермической обработки материалов

5.1.1.Совершенствование технологий и аппаратурного оформления процесса сушки древесных материалов

5.1.2.Совершенствование технологий и аппаратурного оформления процесса пропитки пиломатериалов

5.1.3.Совершенствование технологии комплексной переработки древесной зелени

5.2.Совершенствование технологии получения древесностружечных плит

5.3. Очистка отходящей парогазовой смеси при производстве целлюлозы

5.3.1.Совершенствование технологических процессов сульфатной варки целлюлозы

5.3.2.Разработка технологии производства технической целлюлозы паровзрывным методом

5.4. Совершенствование технологий термической переработки древесных материалов

5.4.1.Совершенствование установок для сжигания древесных отходов, содержащих полимерные включения

134

134

134

142

144

147

150

150

154

162

5.4.2. Совершенствование технологии и аппаратурного

оформления производства древесного угля

5.4.3.Совершенствование технологических процессов,

177

сопровождающихся выделением горючих газовых выбросов Выводы

181

ГЛАВА 6. ПРОМЫШЛЕННАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ

ПЕРЕРАБОТКИ ДРЕВЕСНЫХ МАТЕРИАЛОВ, 183

СОПРОВОЖДАЮЩИХСЯ ВЫДЕЛЕНИЕЯМИ

ПАРОГАЗОВОЙ СМЕСИ

6.1. Расчет технологических параметров и отдельных систем газоочистки технологических комплексов по переработке 184 древесных материалов

6.1.1. Расчет параметров устройств конденсации паров. 184

6.1.2. Расчет параметров устройств сжигания горючих газов 189

6.1.3. Аэродинамический расчет парогазового тракта

193

разрабатываемых технологических комплексов

6.2.Разработка опытно-промышленной установки по улавливанию продуктов испарения, возникающих при выгрузке 195 ректоров, работающих под давлением

6.3.Усовершенствование промышленной установки для

199

улавливания паров с выдувного резервуара

6.3.1.Современное состояние системы газоочистки при

199

сульфатной варке целлюлозы на МарЦБК

6.3.2. Предлагаемая схема реконструкции 206

6.3.3.Технико-экономическое обоснование внедрения усовершенствованной технологической схемы разгрузки варочного 208 котла

214

217

219

6.4.Совершенствование аналогичных технологических процессов в других отраслях промышленности

6.4.1.Усовершенствование промышленной установки разложения соапсточного мыла серной кислотой

6.4.2.Усовершенствованная технологическая схема безреактивного расщепления жиров

6.4.3.Усовершенствованая технологическая схема вытяжного устройства для зарядки аккумуляторных батарей

6.4.4.Усовершенствованная технологическая схема для 221 получения наполненных пластиков

Выводы 223

Заключение 225

Условные обозначения 229

ЛИТЕРАТУРА 232

ПРИЛОЖЕНИЕ 261

Приложение 1 262

Программа расчета системы газоочистки процесса сульфатной варки целлюлозы

Приложение 2 281

Статистическая обработка результатов экспериментальных исследований

Приложение 3 298

Конструкторский расчет опытно-промышленной установки для паровзрывной обработки древесных отходов

Приложение 4 322

Акты внедрения

Приложение 5 332

Паспорта внедренных устройств

Приложение 6 344

Технологическая инструкция

Приложение 7 357

Отчет о патентных исследованиях

Приложение 8 394

Участие в выставках

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы:

Большинство термохимических процессов переработки древесных материалов сопровождается выделением токсичных парогазовых смесей, оказывающих отрицательное воздействие на окружающую среду. В результате охрана окружающей среды в последние годы стала одной из важнейших проблем, т.к. объемы парогазовых выбросов на предприятиях глубокой переработки древесины составляют сотни тысяч тонн.

К наиболее ярким представителям таких производств в целлюлозно-бумажной промышленности можно отнести периодические процессы варки целлюлозы; в лесохимических предприятиях можно выделить процессы пиролизного производства, экстрагирования веществ из коры и зелени древесины; среди деревообрабатывающих предприятий имеются выбросы токсичных парогазовых смесей на производствах плитной продукции, при экструзионных процессах, при энергетической переработке древесных отходов.

В настоящее время проблема охраны окружающей среды на этих предприятиях решается путем присоединения к действующему технологическому процессу дополнительного оборудования для улавливания токсичных компонентов из парогазовой смеси. Для снижения концентрации выделяющейся парогазовой среды на многих предприятиях идут по пути интенсификации работы газоочистного оборудования за счет разработки новых контактных устройств, интенсификации гидродинамических режимов контактирования и интенсификации процесса массопередачи путем подбора новых реагентов, сорбентов и катализаторов.

В результате традиционный подход к решению проблем, связанный с усовершенствованием газоочистного оборудования является малоэффективным. Более эффективным является комплексный подход, заключающийся в создании новых технологий и аппаратурных оформлений, включающих в себя систему газоочистки. Такой подход осложнен

многообразием явлений, сопровождающих процессы переработки древесных материалов, отсутствием обобщенных методов расчета и схем эффективной реализации конкретных процессов.

Таким образом, научные исследования на основе современных представлений, направленные на создание ресурсо-и энергосберегающих экологически безопасных технологий переработки древесных материалов с новым аппаратурным оформлением, разработка методов их расчета являются актуальной задачей.

Работа выполнялась в рамках государственной научно-технологической программы «Комплексное использование и воспроизводство древесного сырья» в соответствии с координационным планом НИР ВУЗов (код темы ГРНТИ: 87.51.14), а также в соответствии с планом НИОКР АН РТ (договор подряда № 07.-1.5-229/2004) и в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы» (гос. контракт 16.525.11.5008) по теме: «Создание технологии и опытной установки комплексной переработки отходов лесной промышленности с получением теплоизоляционного материала и моторного топлива».

Целью работы является формирование научно-обоснованных теоретических предпосылок, позволяющих разработать методы расчета и аппаратурного оформления технологических процессов переработки древесных материалов, сопровождающихся выделением токсичных парогазовых смесей.

Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие основные задачи исследования:

- идентификация физической картины процессов термохимической переработки древесных материалов, сопровождающихся выделением парогазовой фазы;

- разработка обобщенной математической модели процессов, сопровождающихся выделением парогазовой фазы;

- разработка алгоритма расчета и моделирования процессов, сопровождающихся выделением парогазовой фазы;

- разработка экспериментального стенда для исследования явлений, протекающих при реализации технологических процессов переработки древесных материалов, сопровождающихся выделением парогазовой фазы, и определения недостающих характеристик этих процессов;

- разработка новых технологических решений по совершенствованию техники и технологий переработки древесных материалов, направленных на сокращение выбросов парогазовой фазы в окружающую среду;

- разработка аппаратурного оформления новых технологических решений;

- выявление перспективных областей применения результатов моделирования и проведенных исследований.

Степень разработанности проблемы:

Вопросами разработки ресурсо-и энергосберегающих технологий занимались Гурьянов А.И., Дашков В.А., Поникаров И.И., Рудобашта С.П., Семенов Ю.П. Значительный вклад в развитие методов расчета и совершенствования газоочистного оборудования внесли Башкиров В.Н., Балабеков B.C., Белевский A.M., Бурдуков А.П., Войнов H.A., Гримитлин М.И., Изабельский В.А., Кальверт С., Кельцев Н.В., Маршал С., Максимов В.Ф., Махнин A.A., Рамм В.М., Спейшер В.А. и др. В работах Богдановича Н.И., Грачева А.Н., Пиялкина В.Н., Тимербаева Н.Ф., рассматриваются термохимические методы переработки древесных материалов. Исследованием кинетических механизмов и моделированием термического разложения органических соединений занимались Померанцев В.В., Таймаров М.А., Di Blasi, R.C.Brown.

Научная новизна: Работа содержит научно-обоснованные технические и технологические решения, направленные на снижение токсичных парогазовых выбросов в

атмосферу на предприятиях ЛПК:

- впервые разработана обобщенная математическая модель термохимических процессов переработки древесных материалов, сопровождающихся выделением парогазовой смеси в атмосферу, основанная на теории тепломассопереноса и общих кинетических закономерностях, позволяющая учесть механизм образования и утилизации выбросов;

- разработан алгоритм расчета совмещенных процессов испарения многокомпонентной смеси и её конденсации в замкнутой системе;

- разработаны экспериментальный стенд, методика исследований и обработки данных, позволившие определить основные закономерности и идентифицировать неизвестные параметры процессов, протекающих при термохимической переработке древесных материалов.

- разработана методика расчета режимных параметров и оборудования для процессов термохимической переработки древесных материалов, сопровождающихся выделениями парогазовых смесей;

- выявлены кинетические закономерности совмещенных процессов испарения и конденсации на примере сульфатной варки целлюлозы;

- разработаны рекомендации, направленные на сокращение и исключение парогазовых выбросов при сульфатной варке целлюлозы, термической переработке древесных отходов, экструзии древесно-полимерных композитов, экстракции веществ из древесных материалов;

- моделированием процесса теоретически обоснована и экспериментально подтверждена энерго- ресурсосберегающая технология газоочистки при сульфатной варке целлюлозы (пат. № 2437972);

- предложена новая технология комплексной переработки древесных отходов паровзрывным методом в техническую целлюлозу (пат. № 2425917, №2464367);

- разработаны способы переработки древесных отходов в древесный уголь (пат. № 2463331) и метанол (пат. № 2478604);

- разработаны ресурсо- и энергосберегающие технологии и высокоэффективные конструкции оборудования для термической переработки древесных отходов (пат. № 2400671), экструзии древесно-полимерных композитов (пат. № 2422268), экстракции веществ из древесных материалов (пат. № 2404238);

- выявлены новые области использования результатов проведенных исследований для смежных отраслей промышленности, новизна решения которых подтверждена патентами РФ на изобретения;

- научно обосновано и экспериментально подтверждено, что для интенсификации тепломассообменных процессов система улавливания выделяющихся парогазовых смесей при проектировании термохимических процессов должна вписываться в технологический процесс и изолировать его от окружающей среды.

Практическая ценность: Комплексное исследование технологических процессов лесопромышленного комплекса (ЛПК), сопровождающихся выделением парогазовой смеси и разработанные методы расчета позволили: разработать рекомендации по сокращению парогазовых выбросов с технологических процессов термической переработки древесных материалов, экструзии древесно-полимерных композитов, экстракции компонентов из древесных материалов; рекомендовать рациональные режимные параметры этих процессов; создать и реализовать новые технологии термохимической переработки древесных материалов, а также высокоэффективное аппаратурное оформление этих процессов, направленные на сокращение или ликвидацию токсичных парогазовых выбросов.

Разработанные конструкции пилотных установок и методики их расчета могут быть использованы при проектировании производственных комплексов термохимической переработки древесных материалов. Показана возможность реализации результатов исследований в смежных отраслях промышленности.

Разработана рациональная система газоочистки для периодического процесса сульфатной варки целлюлозы, внедрение которой позволит получить значительный экономический эффект за счет снижения экологических платежей и предотвращения экологического ущерба.

Реализация работы: Результаты проведенных в работе исследований реализованы при создании конструкторских решений, методик расчета и конструкторской документации: промышленной установки для улавливания токсичных паров при сульфатной варке целлюлозы на ОАО «МарЦБК»; аппаратурно-технологическом оформлении процесса автогидролиза на ООО «Органика»; усовершенствование технологических процессов: извлечения жирных кислот на Казанском ОАО «Нэфис», зарядки аккумуляторных батарей на ОАО «Нижнекамскшина», производства наполненных пластиков на ГУП «Муромский приборостроительный завод».

Методики расчета процессов переработки древесных материалов, сопровождающихся парогазовыми выбросами, внедрены в научно-исследовательских центрах: ООО «НТЦ РПО», ООО «НПП Термодревпром», НТЦ «Альтернативная энергетика», ЗАО «Ласкрафт» и использованы при изготовлении опытно-промышленных аппаратов.

Разработанный экспериментальный стенд, методики расчета и пр�