автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Совершенствование аппаратурного оформления процессов химической обработки изделий гальванических производств

г>

ИВАНОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ

Па правах рукописи

Г АЛИМОВ Рафаэль Дамирович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ АППАРАТУРНОГО ОФОРМЛЕНИЯ ПРОЦЕССОВ ХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ИЗДЕЛИЙ ГАЛЬВАНИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ

Специальность 05.17.08 Процессы и аппараты химической технологии

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Иваново 1994

Работа выполнена в Казанском государственном технологическом университете

Научный рук о вод и тел ь—доктор технических наук, профессор Л. Г. Голубев.

Научный консультант—доктор технических наук, 'профессор Р. Г. Сафин.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор С. В. Федосов,

доктор технических наук, профессор Е. М. Румянцев

Ведущая организация: Казанский медико-инструментальный завод.

сов на заседании спей _ _

Ивановской государственной химико-технологической академии по адресу: 153481, г. Иваново, пр. Ф. Энгельса, д. 7.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке академии.

Автореферат разослан « . 1994 ,г.

Ученый секретарь

Защита состоится

специализированного совета

И. Б. БЛИНИЧЕВА

АННОТАЦИЯ

- В диссертационной работе изложены результаты теоретических и экспериментальных исследований процессов химической обработки изделий .гальванических производств, осуществляемых в аппарате, включающем герметичную камеру химической обработки, соединенную о системой улавливания токсичных выбросов.

Исследования выполнены с целью создания и внедрения в .производство высокоэффективного оборудования, позволяющего проводить процессы химической обработки металлических изделий с минимальны-, ми выбросами токсичных веществ в окружающую среду.

На основе совместного рассмотрения кинетики химической реакции, протекающей на поверхности обрабатываемых деталей, процессов тепло- и массоотдачи на границе раздела жидкой и газовой фаз и процесса поглощения вцделяпцихся газов жидким абсорбентом разработана математическая модель процёсса химической обработки изде-' лиЙ гальванического производства, осуществляемого в герметичной камере, соединенной с системой улавливания токсичных выбросов.

Проведены экспериментальные исследования основных характеристик процесса химической обработка с целью выявления величины, динамики основных параметров и дальнейшего использования этих, закономерностей при проектировании промышленного оборудования.

Разработана инженерная методика расчета промышленных аппаратов для химической обработки металлических изделий, позволяющая определить их основные конструктивные и режимные параметры.

. Научные и практические результаты работы использованы Казанским медико-инструментальным заводом при разработке и промышленной эксплуатации аппаратов для химической обработки изделий гальванического производства.

Автор защищает:

- схему аппарата для химической обработки изделий гальванических производств, позволяющего значительно уменьшить токсичные выбросы в атмосферу;

- математическую модель процессов, протекающих в камере химической обработки;

- результаты математического моделирования и экспериментальных

исследований процессов, протекающих в камере химической обработки;

- инженерную методику расчета промышленных аппаратов, разработанную на базе проведенных исследований;

— конструкцию опытно-промышленной установки душ химического полирования' титановых изделий;

» конструкцию промышленной установки для химического полирования и травления металлических изделий.

ОНЦАЕ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Гальванические производства являются вак-т нейшим звеном современных предприятий машиностроения, радиоэлектронной, медико-инструментальной и других отраслей промышленности. В настоящее время на гальванических производствах получили широ-» кое распространение методы химической обработки поверхностей металлических изделий с целью подготовки поверхности к гальванопокрытию или ее конечной отделки. К таким процессам относятся химическое полирование, травление, фосфатирование, пассивация поверхности и другие.

Преимущества этих методов по сравнению с аналогичными механическими и глектрохимическими методами: высокая производительность процесса, возможность одновременной обработки большого количества деталей сложной формы и различных размеров, меньшая энерго- и материалоемкость.

Однако, указанные процессы сопровождаются выделением токсичных газов и паров кислот, для улавливания которых используется . газоочистное оборудование, основанное на абсорбции и фильтрации. Известные аппараты этого назначения обеспечивают степень очистки воздуха порядка 96-975?, поэтому при большом количестве выделяющихся газов токсичные выбросы значительно превышают предельно-допустимые концентрации.

Это сдерживает широкое применение методов химической обработ-кк металлических изделий в промышленности.

В этой связи исследование процессов химической обработки металлических изделий, разработка методов расчета и моделирования процессов и оборудования этого типа и разработка более совершенного аппаратурного оформления процессов химической обработки являются актуальной задачей.

Цель работы:

— разработка и экспериментальная проверка математической модели процесса химической обработки металлических изделий, осуществляемого в герметичной камере, соединенной с системой улавлива-

. ния выделяющихся газов;

— разработка инженерной методики расчета промышленных аппаратов для химической обработки изделий гальванических производств;

— разработка более эффективного, по сравнению с существующими аналогами, аппаратурного оформления процессов химической обработки и внедрение его в производство.

Научная новизна:

— разработана математическая модель процесса химической обработки металлических изделий, осуществляемого в герметичной камере, соединенной с системой улавливания выделяющихся газов;

— на основании проведенных математического" моделирования и экспериментальных исследований установлено, что в предложенном аппарате, за счет искусственного повышения концентраций газов, удается интенсифицировать процесс абсорбции токсичных выбросов и, соответственнб, повысить эффективность газоочистки;

— предложена инженерная методика расчета, позволяющая определить основные конструктивные и режимные параметры установок для химической обработки изделий гальванических производств;

— выявлены основные факторы, определяющие эффективность работы установок данного типа.

Практическая ценность и реализация работы. Разработанная математическая модель и результаты моделирования позволяют выбрать наиболее рациональный вариант конструкции установки для конкретных видов изделий и оптимизировать технологические параметры процесса. Результаты проведенных исследований использованы при создании методики расчета установок для химической обработки изделий гальванических производств, позволившей рассчитать и спроектировать опытно-промышленную и промышленную установки.

Разработанные установки, позволяют значительно снизить токсичные выбросы в атмосферу, что дает возможность повысить производительность оборудования за счет увеличения его разовой .загрузки.

В связи с внедрением разработанных аппаратов осуществлена

полная реконструкция участка химического полирования и травления, в гальваническом цехе Казанского медико-инструментального завода.

Апробация работы. Основные научные положения и результаты работы докладывались на Межгосударственной конференции "Тепломассообмен и гидродинамика в турбулентных течениях", 1992 г., г.Алушта; на Мездународной научно-технической конференции "Ресурсосберегающие технологии строительных материалов, изделий и конструкций" /XII научные чтения БТИСМ/, 1993 г., г.Белгород; на Межреспубликанской научно-технической конференции "Интенсификация процессов химической и пищевой технологии "ПРОЦЕССЫ-93',' 1993 г., г.Ташкент.

Публикации. По теме диссертации имеется 7 публикаций, в том числе один патент и одно решение о выдаче патента на изобретение.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы, и приложений. Общий объем - 180 страниц, из них 143 страницы основного текста, 44 рисунка, 12 таблиц. Список литературных источников содержит 129 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. Обосновывается актуальность темы, цель и задачи исследований. Показаны новизна и практическая ценность работы.

В первой главе рассмотрены существующие технологические процессы химической обработки поверхностей металлических изделий, области их применения, проведен анализ современного состояния техники улавливания токсичных выбросов при химической обработке металлических изделий.

Анализ литературных источников по теме работы показал, что вопросы аппаратурного оформления процессов химической обработки металлических изделий исследованы недостгггочно. Конструкции существупцих аппаратов этого назначения не обеспечивают эффек-

тивной работы газоочистного оборудования, а используемые в -этих аппаратах вытяжные устройства не гарантируют достаточно полного улавливания токсичных выбросов.

В литературе не освещены вопросы расчета и моделирования процессов и оборудования этого типа.

. В заключительной части первой главы сформулированы основные выводы и вытекающие из них задачи исследований.

'. Во второй главе представлены теоретические исследования процессов, протекающих при химической обработке металлических изделий в герметичной камере, соединенной о системой улавливания токсичных выбросов.

Приведена математическая модель, полученная на основе - -совместного рассмотрения кинетики химической реакции, протекающей на поверхности обрабатываемых изделий, процессов тепло- к массоотдачи на границе раздела жидкой и газовой фаз и процесса поглощения выделяющихся газов жидким абсорбентом.

Математическое описание составлено отдельно для процессов, протекающих с бурным выделением газов, и процессов, протекающих с выделением небольшого количества газов.

Для процессов, протекающих с выделением небольшого количества газов, сопротивление жидкой и газовой фаз массопереносу принято равным нулю ввиду малой интенсивности процесса. В этой случав расчет параметров парогазовой смеси базируется на законах равновесия, в частности, на уравнении Ангуана:

Ро1=ехр(/и- Вь/Т) /I/

При математическом описании процессов, протекающих с бурным выделением газов, сопротивления жидкой и газовой фаз оказывают существенное влияние на характер процесса, что отражено уравнениям! для вычисления потоков паровых н газовых компонентов:

Уги1= - рп'ь) /2/

/з/

Общими для обоих случаев являются дайзеренциалыше уравнения; описывающие динамику температур я концентраций кошга-кентов в камере химической обработки.: •

РсиСсКь с1Т=-Л (Т~Тж)^о[Т' ^омСсмта^

_ гп п

+Сси8св[ + Чг<] ]То1т / 4 /

<.=1 .и

_ т п т гп

*[ г + ^ / 5 /

1 ы м . ^

^п^сьОЬГ- 0п1 с1т "^вйСП1 /6/

Тм1$свС1Т~ "Эга^ЙГ- УсайСг] /7/

Получешша системы уравнений решить аналитически сложно, поэтому решение проводилось численным методой конечных разностей. Для упрощения алгоритма расчета использованы явные конеч-ю-разиосткые схемы, устойчивость которых достигалась выбором достаточно малого шага по оси времени. Разработано программное обеспечение решения предложенной математической модели.

В третьей главе дано описание экспериментальной установки, прк помощи которой исследовались закономерности процессов химической обработки, проводимых в герметичной камере, соединенной е системой улавливания токсичных выбросов.

Приведены результаты численного моделирования процесса на ЗШ к экспериментальных исследований. Дан совместный анализ к*» жетическкх кривых, полученных машинным моделированием и экспериментальными исследованиями.

Рассмотрены два случая - процессы, протекающие с выделением небольшого количества газов, и процессы, протекающие с -бурным выделением газов. Для каадого случая дан анализ полученных зависимостей.

Установлено, что проведение химической обработки изделий в герметичной камере, соединенной с системой улавливания ток-» сичных выбросов, позволяет интенсифицировать процесс абсорбции выделяющихся газов за счет искусственного повышения их концентрации в зоне улавливания.

В выводах по третьей главе сформулированы рекомендации по созданию промышленных установок для химической обработки изделий гальванических производств.

В четвертой главе представлена промышленная реализация результатов исследований процессов химической обработки мвтад-лических изделий, осуществляемых по предлагаемой схеме. Представлена, разработанная на базе проведенных исследований, инженерная методика расчета промышленных установок, для химической обработки изделий гальванических производств.

Для проверки возможности использования результатов проведенных исследований в условиях серийного производства и отработки режимов на Казанском медико-инструментальном заводе была создана опытно-промышленная установка, схема которой представлена на рис.1. Установка предназначена для химического полирования титановых изделий и имеет следующие конструктивные и технологические характеристики:

- диаметр камеры химической обработки, и 0,8

- высота камеры химической обработки, м 0,95

- объем корзины для деталей, м3 0,02

- разовая загрузка корзины деталями, шт. 250

- расход абсорбента, ы3/ч 20

- производительность системы улавливания токсичных выбросов по двуокиси азота, кг/ч 0,3

- продолжительность обработки изделий, с 10-15

- потребляемая мощность, кВт 3

На опытно-промышленной установке были проведены исследования зависимом* производительности системы улавливания ток-

Рис.1. Опыгао-промыпшенная установка химического полирования титановых изделий: . I - рабочая камера; 2 - люк; 3 - ванна кислотного раствора; 4 - ванна для промывной воды; 5 — вал; 6 - устройство для закрепления корзины с изделиями; 7 — корзина с изделиями; 8 — устройство для подъема и поворота корзины; 9 - эжекци-онный насос; 10 — барометрическая труба; II — абсорбер; 12—

— фильтр тонкой очистки; 13 - центробежный насос; 14 - вентиль для воды; 15 - заливная воронка; 16 - емкость для отработанной кислоты; 17 -г вентиль для слива отработанной кислоты; 18 - крышка; 19 - рециркуляционный трубопровод; 20 -

- светильник; 21 - смотровое окно; 22 - электродвигатель.

Рис.2. Промышленная, установка для химической обработки металлических изделий:

I - установка химического полирования титановых изделий; 2 - установка травления стальных и латунных изделий; 3 - абсорбер; 4 - рабочий стол; 5 - эжекциошшй насос; 6 - приемная емкость; 7- центробежный насос; 8 - промывочная емкость.

сичных выбросов ог концентраций компонентов в.камере, выбор оптимального энергетического режима установки.

Опыт эксплуатации данной установки и разработанная икже-.. нерная методика расчета позволили создать на Казанском медико-инструментальном заводе промышленную установку для химической обработки металлических изделий, схема которой представлена на рис.2.

Анализ результатов промышленных испытаний показывает, что реализация разработанных рекомендаций в конструкции промышленной установки позволяет значительно уменьшить.токсичные выбросы в округлющую среду. Анализ воздушной среды в рабочей зоне промышленной установки показал, что содержание окислов азота в воздухе при работающей установке не превышает 2,3 мг/м3 при предельно-допустимой концентрации 5 мг/м3.

С учетом приведенных затрат по изготовлению и эксплуатации, установки годовой экономический эффект составил 51,7 тыс. руб./ в ценах 1990 г./.

Более высокие технико-экономические показатели внедренной установки достигнуты за счет реализации конкретных конструк- . тивных и технологических решений, разработанных на основе проведенных исследований.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Предложена схема аппарата для проведения процессов . химической обработки изделий гальванических производств, позволяющая значительно уменьшить токсичные выбросы в атмосферу, по сравнению с существующими установками данного назначения.

2. Разработана математическая модель процессов, протекающих в аппарате, иа основании дифференциальных уравнений материального и теплового баланса камеры химической обработки.

3. Предложена инженерная методика расчета промышленных установок для химической обработки металлических изделий.

4. На основе проведенного математического моделирования к экспериментальных исследований выявлена основные факторы, определяющие эффективность работы предлагаемого аппарата.

В частности, установлено, что определяющим фактором является герметичность камеры, позволяющая повысить концентрации газов

и, за счет этого, повысить эффективность работы газоочистного оборудования. Ванными факторами являются также объем камеры химической обработки и режим системы газоочистки,

5. Разработанные опытно-промышленная и промышленная установки для химической обработки изделий внедрены в гальваническом цехе Казанского медико-инструментального завода. Новизна разработанных конструкций промышленных установок и экспериментальной установки подтверждена патентом и решением о выдаче патента на изобретение.

6. Проведенные технологические испытания внедренных установок показали, что содержание окислов азота и паров кислот на выходе и в рабочей зоне установки не превышает предельно-допустимых концентраций.

7. В результате внедрения разработанных установок улучшена экологическая ситуация на территории предприятия, повышена производительность оборудования за счет увеличения его разовой загрузки.

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

£ - плотность, кг/м3 ; с - теплоемкость, Дж/(кг'К) ; Уев - свободный о0ъем камеры химической обработки, м3; Т -

- температура в камере химической обработки, К; сI т - коэффициент теплоотдачи, Дд/оД с-К); Зев - площадь поверхности реакционной смеси, м^; ГС - время, с; Ц - поток, кг/См52- с); С - концентрация, кг/м3; Ух - объем жидкого реагента, и3; С|,Р - удельная теплота химической реакции, Дж/с; Л Ну - теплота парообразования, Дк/кг.

ИНДЕКСЫ

см - смесь; ж - жидкость; п - пар; г газ; {, ~ паровой компонент; ^ газовый компонент; 2- суммарная величина; I - процесс образования парового или газового компонента; 2 -

- процесс поглощения парового или газового компонента.

Основное содержание работы изложено в глйяугпцд публикациях; '

1. Сафин Р.Г., Голубев Л.Г.Г Башкиров В.Н., Галимов Р.Д. Тепломассообмен в парогазовой фазе при химической.обработке металлических изделий // Тез. докл. Межгас. конф.: Тепломассообмен

и. термодинамика в турбулентных течениях. -Алушта,1992. -С.23.

2. Сафин Р.Г., Голубев Л.Г., Галимов Р.Д., Башкиров В.Н. Математическое описание процесса химического полирования титановых изделий // В кн.: Интенсификация процессов химической и пищевой технологии. -Ташкент, 1993. -C.4I.

3. Сафин Р.Г., Галимов Р.Д., Голубев Л.Г., Башкиров В.Н. Исследование процесса улавливания вредных выбросов при химической обработке металлических изделий // В кн.: Ресурсосберегающие технологии строительных материалов, изделий и конструкций.

- Белгород, 1993. -C.2I..

4. Патент SU 1790628 A3, МКИ С23 G3/00. Линия для жидкостной' обработки деталей / Сафин Р.Г., Башкиров В.Н., Галимов Р.Д.

н др. ■

5. Сафин Р.Г., Хабкбуллин И.Р., Галимов Р.Д. и др. Установка химического полирования титановых изделий. Решение о выдаче патента от 20.05.92 г. по заявке * 4950439.

6. Сафин Р.Г., Галимов Р.Д., Башкиров В.Н. и др. Математическое описание процесса улавливания токсичных выбросов при химической обработке металлических изделий // Инженерно-физический Журнал /в печати/. •

7. Исследование процесса улавливания токсичных газов и паров при химической обработке металлических изделий // Галимов Р.Д., Сафин Р.Г., Башкиров В.Н. к др.; Казан, хим.-технол. ин-т. .

- Казань, 1993. -12с. - Деп. в ВИНИТИ 25.01.93г., * I55-B83.

Подписано к печати 8.02.94 г. Формат бумаги 60x84 I/T6. Печ.л. 0,75. Усл.п.л. 0,69. Тираж 80 якз. Заказ 402/р.

Типография ГУК ПК Минтопэнерго РФ, г.Иваново, ул.Ермака',41