CC BY
27ИЗВЕСТИЯ ВЫСШИХ УЧЕБНЫХ ЗАВЕДЕНИЙ
Т 55 (8) ХИМИЯ И ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ 2012
УДК 004.9: 658.567.1: 661.635.12 А.В. Квасюк, Э.М. Кольцова, Р.А. Санду, А.М. Бессарабов
CALS-ТЕХНОЛОГИЯ ГИБКОГО ПРОИЗВОДСТВА ДЛЯ УТИЛИЗАЦИИ
ФОСФОРНОГО ШЛАМА
(Научный центр «Малотоннажная химия», ФГУП «ИРЕА», Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева) e-mail: a.bessarabov@mtu-net.ru, kolts@muctr.ru, office@irea.org.ru
Для утилизации фосфорного шлама (одного из основных отходов фосфорной промышленности) разработан информационный проект гибкого производства переработки фосфорного шлама в фосфиты натрия и свинца, а также гипофосфит натрия. Проект создан на основе информационных CALS-технологий (ISO-10303 STEP).
Ключевые слова: информационные технологии, CALS, гибкое производство, утилизация отходов, фосфорный шлам
ВВЕДЕНИЕ
Фосфорный шлам является наиболее вредным и опасным из отходов производств фосфорсодержащих веществ, а его накопленные объемы, по приблизительным оценкам, насчитывают миллионы тонн. Шлам складировался на территориях заводов и подвергался так называемой влажной концентрации - сбрасывался в гигантские котлованы (шламонакопители), которые затем заливались водой. Благодаря этому обеспечивалась изоляция фосфорного шлама от контактов с воздухом, что позволяло избежать самовозгорания и взрывов фосфорных соединений. Поэтому утилизация данного отхода является в настоящее время актуальной проблемой и внесет весьма ощутимый вклад не только в экономику страны, но и заметно улучшит экологическую обстановку.
Переработка отходов производства и потребления в качестве вторичного сырья, в том числе для производства комплексных фосфорных удобрений [1], - самый распространенный способ уменьшения промышленных выбросов. Разработкой отдельных мероприятий по сокращению отходов и очистке выбросов занимаются многие научно-исследовательские и проектные организации, а также практически все предприятия, имеющие вредные выбросы. Для уменьшения количества отходов на действующих предприятиях часто осуществляют полную или частичную утилизацию отходов путем химической переработки. Несомненными достоинствами такого метода утили-
зации являются сокращение шламоотвальных площадей, сокращение экологической опасности, уменьшение загрязнения грунтовых вод и почв [2].
Разработка промышленных производств для переработки фосфорного шлама проводилась в рамках наиболее современной и перспективной системы компьютерной поддержки - CALS-техно-логии (Continuous Acquisition and Life cycle Support - непрерывная информационная поддержка жизненного цикла продукта). В основе концепции CALS лежит комплекс единых информационных моделей, стандартизация способов доступа к информации и ее корректной интерпретации по международным стандартам. При этом обеспечиваются единообразные способы управления процессами и взаимодействия всех участников разработки. Основой концепции CALS является повышение эффективности процессов жизненного цикла (ЖЦ) изделия за счет повышения эффективности управления информацией об изделии. Задачей CALS является преобразование ЖЦ изделия в высокоавтоматизированный процесс путем реструктуризации входящих в него бизнес-процессов [3].
При разработке перспективных химических производств показано, что CALS-технологии и основной CALS-стандарт ISO 10303 STEP предлагают способ решения проблемы электронного представления проектно-конструкторской информации при помощи использования стандартизованного интегрированного описания изделия.
Конструкторское электронное описание в соответствии со стандартом ISO 10303 STEP содержит структуру категорий, документы, статусы, группы изделий с их версиями, свойствами, классификациями и др.
СИНТЕЗ ГИБКОЙ ТРЕХПРОДУКТОВОЙ ТЕХНОЛОГИИ УТИЛИЗАЦИИ ФОСФОРНОГО ШЛАМА
Сотрудниками ФГУП «ИРЕА» и РХТУ им. Д.И. Менделеева были проведены работы по гранту Европейского Сообщества ECOPHOS № INCO-CT-2005-013359 «Утилизация отходов в промышленности фосфорной кислоты через разработку экологически устойчивых и экологически безопасных процессов для широкого класса фосфорсодержащих продуктов». В рамках этих работ были проведены маркетинговые исследования утилизации отходов фосфорной промышленности [4], системные исследования инновационных ресурсов ведущих предприятий, производящих и утилизирующих отходы фосфорсодержащей продукции [5], а также была разработана гибкая двухпродуктовая схема утилизации фосфорного шлама с получением фосфита и гипофосфита натрия [6].
В данной работе, проводимой по Госконтракту Минобрнауки России № 11.519.11.5005, нами был рассмотрен комплекс трех индивидуальных химико-технологических производств утилизации фосфорного шлама, включающий производства фосфита и гипофосфита натрия, а также переработку фосфорного шлама через фосфит натрия до двухосновного фосфита свинца [7]. В производстве двухосновного фосфита свинца используют в качестве сырья фосфит натрия, получаемый в гибком двухпродуктовом производстве [6]. Поэтому нами была разработана гибкая трехпродуктовая схема переработки фосфорного шлама (рис. 1). Данная схема позволяет объединить три производства, а именно: фосфита и ги-пофосфита натрия, и двухосновного фосфита свинца.
Для объединения данных индивидуальных производств использовались принципы теории гибкости. Гибкое трехпродуктовое производство соответствует сразу двум признакам теории гибких химико-технологических систем, т.е. имеет технологическое и химическое сходство. Если рассматривать технологическое сходство, то на
Рис. 1. Гибкая технология производства фосфита натрия, гипофосфита натрия и двухосновного фосфита свинца Fig. 1. Flexible technology of production of sodium phosphite, sodium hypophosphite and dibasic lead phosphite
этапе проектирования были выделены блоки, характерные для гибкого двухпродуктового производства [6] (гибкие узлы переключения ГУП-1 и ГУП-2), и новые ГУП-3 и ГУП-4, позволяющие проводить выпуск целевых продуктов при минимальных управляющих воздействиях.
В узле ГУП-1 возможно переключение потоков. Поток №ОН (заданной концентрации) со стадии (4) либо сразу направляется в реактор (1) при производстве фосфита натрия, либо - на стадию (6) для смешивания с Са(ОН)2 при производстве NaH2PO2. После реактора (1) в узле ГУП-2 осуществляется переключение на стадию (10) для отфильтровывания полученной реакционной смеси в случае получения Na2HPO3, либо переключение осуществляется на стадию (2), где происходит доразложение фосфорного шлама и смешение с маточным раствором при получении NaH2PO2.
В узле ГУП-3 также возможно переключение потоков. Раствор Na2HPO3 (13) после стадии нейтрализации избытка щелочи направляется либо на стадию (22) в реактор синтеза при производстве 2Pb•PbHPO3, либо на стадию (17) для концентрирования и выпаривания при производстве Na2HPO3. В узле ГУП-4 осуществляется переключение потоков на стадию сушки (32), либо после стадии (19) центрифугирования суспензии NaH2PO2, либо со стадии (30) после барабанного вакуум-фильтра при производстве 2Pb•PbHPO3.
Узлы гибкости позволяют осуществлять переключение технологического потока по необходимости (исходя из заказа или спроса на конечный продукт) производства Na2HPO3 или NaH2PO2. Существует также возможность сокращения времени производства за счет одновременного получения Na2HPO3 и NaH2PO2. Данная технология предоставляет возможность сокращения размера помещения, в котором находится производство, т.к. многие технологические узлы (производства Na2HPO3 и NaH2PO2) совмещены.
Для трехпродуктового гибкого производства на подготовительном этапе измельчают фосфорсодержащий шлам в дробилках до размера частиц, оптимальных для взаимодействия с №ОН, а затем готовят раствор. Стадии технологического производства разбиты нами на 18 следующих этапов.
1. Приготовление раствора гидроокиси кальция. В емкости (5) параллельно процессу дробления фосфорного шлама происходит процесс приготовления Са(ОН)2, путем растворения СаО в воде до концентрации 65%.
2. Приготовление раствора №ОН. Данная стадия (4) так же аналогична стадии приготовления №ОН при производстве фосфита натрия. Щелочь разбавляется до концентрации 45%, в каче-
стве растворителя используется вода. Затем смешивают полученные растворы №ОН и Са(ОН)2 в емкости (6).
3. Разложение фосфорного шлама в реакторе (1). Загружается шлам в реактор из позиции (3), туда же поступает полученный раствор из емкости (6). По прошествии некоторого времени в реактор заливают раствор CH3CH(OH)CH3 (7), необходимый для более полного извлечения фосфора из шлама. При этом из реактора удаляется фосфин-водородная смесь. Стадия разложения шлама характерна для производства и Na2HPO3, и NaH2PO2.
4. После прохождения стадии (1) разложения шлама ГУП-1 осуществляет переключение подачи раствора либо на стадию (10) фильтрования (при производстве Na2HPO3), либо на стадию (2) при производстве NaH2PO2.
5. Доразложение шлама в дополнительном реакторе (2). Из реактора (1) полученную смесь направляют в реактор (2), при этом смешивая с маточным раствором после центрифугирования NaH2PO2. После завершения реакции раствор из дополнительного реактора (2) поступает в барабанные вакуум-фильтры (12). Стадия характерна только при производстве NaH2PO2.
6. Фильтрование в барабанных вакуум-фильтрах для приготовления NaH2PO2. Полученный раствор из реактора (2) отфильтровывается в барабанных вакуум-фильтрах (12). Осадок, образовавшийся при фильтровании, удаляют и используют как удобрение в сельском хозяйстве. Раствор, пропущенный через вакуум-фильтры (12) поступает в нейтрализатор (13).
7. Нейтрализация избытка №ОН. После прохождения барабанных вакуум-фильтров раствор, состоящий из NaH2PO2 (8%), Na2HPOз (9%) и СaHPO3 (25%) поступает в нейтрализатор (13). Нейтрализация избытка №ОН производится разбавленной H3PO2, находящейся в емкости (16). Стадия нейтрализации характерна как для производства Na2HPO3, так и NaH2PO2.
8. Приготовление H3PO2. Готовый продукт (Ca(H2PO2)2) с концентрацией 12% смешивают с щавелевой кислотой. Полученный раствор фильтруют (15) и образовавшуюся фосфорноватистую кислоту хранят в емкости (16), по мере необходимости, используя в стадии нейтрализации (13).
9. Концентрирование NaH2PO2 и фосфита натрия. На стадии (17) концентрируют (путем выпаривания) NaH2PO2 для дальнейшей тонкой фильтрации, которая осуществляется на стадии (18). При этом образовавшуюся натриевую щелочь и NaH2PO2 направляют в рецикл. Фосфит натрия после прохождения стадии (17) через ГУП-3, идет на упаковку (33).
10. Кристаллизация NaH2PO2 (18) и центрифугирование суспензии (19). После прохождения стадии кристаллизации (18) суспензия направляется в центрифугу. Образовавшийся маточный раствор идет в рецикл через дополнительный реактор (2). После стадии центрифугирования (19) №Н2Р02 направляется на сушку (32) для удаления из продукта излишней влаги. Данная стадия регулируется ГУП-4, который осуществляет переключение подачи сырья со стадии (19) центрифугирования или со стадии (30) из вакуум-фильтра.
11. После осуществления основного технологического цикла производства после стадии сушки (32), NaH2P02 поступает на упаковку (20).
12. Приготовление раствора Ка2НР03. Раствор Ка2НР03 по трубопроводу поступает из стадии (13) и направляется в реактор синтеза 2РЬ-РЬНР03 (22). При необходимости рН раствора корректируется уксусной кислотой.
13. Приготовление раствора стеарата натрия (мыла). Раствор СпН35С00№ готовят в аппарате (26). В аппарат заливают свежеприготовленный раствор №ОН (27) с концентрацией 1,4 г/л. Раствор №ОН нагревают до 90-95 °С и при энергичном перемешивании вручную через люк загружают стеарин (24). Реакция омыления проходит за 20-30 мин. Готовый раствор мыла должен содержать небольшой избыток №ОН. С целью устранения пыления продукта в готовый раствор мыла добавляют диоктилфталат (25), перемешивают раствор еще 10 минут, поддерживая температуру 85-90°С.
14. Синтез РЬО-РЬ(СНзСОО)2 проводят в аппарате (21). Включают мешалку, нагревают до 60°С, затем через загрузочный люк загружают уксусную кислоту (29). Перемешивают 10-15 минут. Поддерживая в аппарате температуру 60°С, перемешивают раствор в течение 1,5-2 часов. В реакторе протекает реакция: 3РЬО + СН3СООН ^ ^2РЬ0-РЬ(СНзС00)2-0,5Н20 + 0,5^0 с образованием двухосновного диацетата свинца. Раствор охлаждают до 20°С, перегружают в аппарат (22).
15. Получение гидрофобизированного 2РЬ-РЬНР03. В перемешиваемый раствор двухосновного диацетата свинца при 20°С из аппарата (21) приливают раствор Ка2НР03. Одновременно через люк заливают горячий раствор стеарата натрия (26). Суспензию 2РЬ-РЬНР03 сливают в аппарат (23).
16. Фильтрация суспензии. Фильтрацию суспензии производят на барабанном вакуум-фильтре (БВФ), с фильтрующей поверхностью 1 м2 (30). В качестве фильтровальной ткани применяют бязь и перхлорвиниловую ткань (снизу - 2 слоя бязи, сверху - 1 слой перхлорвиниловой тка-
ни), а также в качестве фильтрующего материала можно применять фильтрмиткаль или бельтинг. Из аппарата (23) суспензия при непрерывном перемешивании самотеком поступает в корыто БВФ
(30). Избыток суспензии из корыта через переливной штуцер насосом возвращается в аппарат (23). Фильтрация суспензии и отдувка осадка производятся непрерывно. Отжатый продукт срезается ножом БВФ и по закрытому лотку ссыпается в приемную тару (полиэтиленовый мешок). Маточный раствор откачивают попеременно в сборники
(31).
17. Сушку продукта - пасты 2PbPbHPO3 проводят горячим воздухом в двух аппаратах (32) типа «кипящий слой» бицилиндроконической формы. Пасту продукта с влажностью 35-40% загружают в приемный бункер, откуда с помощью шнека подают на решетку площадью 0,05 м. Готовый продукт ссыпается в приемный бункер, из которого каждые 30-40 минут производят его выгрузку и расфасовку (34).
18. После осуществления основного технологического цикла производства - стадии (32) сушки, 2PbPbHPO3 поступает на упаковку (20).
Разработанная технология позволяет получать из фосфорного шлама сразу три целевых продукта: фосфит и гипофосфит натрия, а также двухосновный фосфит свинца. При этом применение принципов построения гибких производств позволяет повысить эффективность данной технологии.
CALS-ПРОЕКТ ГИБКОЙ ТРЕХПРОДУКТОВОЙ ТЕХНОЛОГИИ УТИЛИЗАЦИИ ФОСФОРНОГО ШЛАМА
Основное внимание при рассмотрении этапов жизненного цикла (ЖЦ) изделия в концепции CALS (маркетинг, проектирование, производство, реализация и эксплуатация) было уделено проектированию. Для важнейшего этапа проектирования «Исходные данные на проектирование» (ИДП) были разработаны готовые схемы баз данных, называемые в стандарте CALS (ISO 10303) «протоколами (правилами) применения». Эти протоколы представляют собой типовые решения в рамках созданного CALS-проекта.
В структуру ИДП CALS-проекта входит 17 обязательных разделов: общие сведения о технологии (1); характеристика выполненных научно -исследовательских и опытных работ, положенных в основу исходных данных для проектирования (2); технико-экономическое обоснование рекомендуемого метода производства (3); патентный формуляр (4); техническая характеристика исходного сырья, вспомогательных материалов основ-
ных и конечных продуктов (5); физико-химические константы и свойства исходных, промежуточных и конечных продуктов (6); химизм, физико-химические основы и принципиальная технологическая схема производства (7); рабочие технологические параметры производства (8); материальный баланс производства (9); техническая характеристика побочных продуктов и реализуемые отходы производства; области их применения и методы утилизации (10); математическое описание технологических процессов и аппаратов (11); данные (рис. 2) для расчета, конструирования, вы-
бора основного промышленного технологического оборудования (12); рекомендации для проектирования автоматизации производства (13); аналитический контроль производства (14); методы и технологические параметры очистки химически и механически загрязненных сточных вод, обезвреживания газовых выбросов и ликвидации вредных отходов (15); мероприятия по технике безопасности промсанитарии и противопожарной профилактике (16); указатель отчетов и рекомендуемой литературы по рассматриваемой технологии производства (17).
Рис. 2. Элемент CALS-проекта «Исходные данные на проектирование»: гибкая трехпродуктовая схема переработки
фосфорного шлама
Fig. 2. Element of CALS-project "Initial data for designing": flexible three-products scheme of phosphoric sludge processing
Разработанная гибкая схема (рис. 1) занесена в информационный CALS-проект (рис. 2) со всеми технологическими характеристиками, чертежами используемого оборудования и др. Схема включает 35 химико-технологических блоков: 10 совмещенных блоков, которые используются в производстве Pb•PbHPOз, Na2HPOз и NaH2PO2 (сплошная линия); 3 блока, относящихся только к производству Na2HPO3 (точечная линия); 10 блоков, относящихся только к производству NaH2PO2 (пунктирная линия); 12 блоков, относящихся только к производству Pb•PbHPO3 (двойная линия). Для перехода с продукта на продукт в схему включены 4 гибких узла переключения (ГУП-1-4).
Современный уровень разработки инновационной продукции тесно связан с CALS-техно-логиями, то есть с использованием единого информационного пространства на всех этапах жизненного цикла продукции - от проектирования и эксплуатации до утилизации. Внедрение информационных CALS-технологий для проектирования гибкого производства фосфита натрия, двухосновного фосфита свинца и гипофосфита натрия позволяет получить продукцию не только с высокими техническими характеристиками, но и обеспечить полное послепродажное сопровождение, включая документацию в электронном виде.
Разработка конструкторской документа-
ции проводилась с применением специализированного программного обеспечения для автоматизированного проектирования «AutoCAD» [6]. Для удобства хранения и сокращения времени поиска, некоторые крупные чертежи и блок-схемы были переведены в PDF-файлы. Этот же прием использовался для хранения крупных текстовых документов, подготовленных в редакторе Word.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Применение CALS-технологий в разработанной гибкой трехпродуктовой технологии переработки фосфорного шлама позволяет обеспечить планируемое качество продукции в интегрированной системе компьютерной поддержки путем электронного документирования всех процессов проектирования и технологий производства. Эффективность разработанной технологии повышается за счет информационной интеграции и сокращения затрат на бумажный документооборот, повторный ввод и обработку информации, а также обеспечивает преемственность результатов работы в комплексных проектах.
ЛИТЕРАТУРА
1. Рассохина Л.Ю., Белова Н.П., Леонов В.Т. // Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2009. Т. 52. Вып. 6. С. 46-48;
Rassokhina L.Yu., Belova N.P., Leonov V.T. // Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol. 2009. V. 52. N 6. P. 46-48 (in Russian).
2. Лотош В.Е. Переработка отходов природопользования. Екатеринбург: Полиграфист. 2007. 503 с;
Lotosh V.E. Wastes treatment of nature management. Ekaterinburg: Poligrafist. 2007. 503 p. (in Russian).
3. Бакаев В.В., Судов Е.В., Гомозов В.А. Информационное обеспечение, поддержка и сопровождение жизненного цикла изделия. М.: Машиностроение-1. 2005. 624 с.; Bakaev V.V., Sudov E.V., Gomozov V.A. Dataware, support and maintenance of life produce cycle. M.: Mashino-stroenie-1. 2005. 624 p. (in Russian).
4. Bessarabov A., Zakolodina T., Alyakin A., Zaikov G. // Chemistry & Chemical Technology. 2009. V. 3. N 3. P. 241-246.
5. Bessarabov A., Bulatov I., Kvasyuk А., Kochetygov А. // Clean Technologies and Environmental Policy. 2010. V. 12. Issue 6. P. 601-611.
6. Bessarabov A.M., Kvasyuk AV., Zaikov G.E. // Journal of the Balkan Tribological Association. 2009. V. 15. N 4. P. 599-610.
7. Аганина А.В., Стругацкая А.Ю., Кольцова Э.М., Васильева Л.В. Патент РФ № 2110475. 1998; Aganina A.V., Strugatskaya A.Yu., Koltsova E.M., Va-sil'eva L.V. RF Patent 2110475. 1998 (in Russian).
Кафедра информационных компьютерных технологий РХТУ им. Д.И. Менделеева
УДК 614.842.611:539.61:661.635.13 Д.Н. Лапшин, А.В. Кунин, С.А.Смирнов, А.П. Ильин
АДГЕЗИОННЫЕ СВОЙСТВА ОГНЕТУШАЩЕГО ПОРОШКА НА ОСНОВЕ АММОФОСА
(Ивановский государственный химико-технологический университет)
e-mail: tis@isuct.ru
В работе для улучшения свойств огнетушащих порошков на основе аммофоса применялись белая сажа марки БС-120 и гидрофобизирующая кремнеорганическая жидкость ГКЖ 136-14. Показано, что с использованием механохимической активации аммофоса в мельницах с энергонапряженностью 21,942 кДж/(скг) в присутствии добавок БС-120 и ГКЖ 136-14 можно получить огнетушащие порошки, обладающие высокой способностью к водоотталкиванию (250-300 мин) и низкой склонностью к влагопогло-щению (2,1, 2,2 %).
Ключевые слова: аммофос, гигроскопичность, водоотталкивание, влагопоглощение, смачивание, краевой угол смачивания, скорость смачивания, гигроскопическая точка
Огнетушащие порошковые составы (ОПС) - это высокодисперсные системы, состоящие из основных компонентов (солей неорганических кислот, обладающих свойством ингибировать пламя), и добавок, повышающих текучесть и препятствующих слеживанию составов. Свойства ог-
нетушащих порошков (огнетушащая эффективность, текучесть, слеживаемость, гигроскопичность и т.д.) зависят от их состава и технологии получения. Основным компонентом для получения ОПС класса АВСЕ является аммофос.
