CC BY
152
В. А. Лашков, С. Г. Кондрашева
МАЛООТХОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ, ОСНОВАННЫЕ НА УСОВЕРШЕНСТВОВАНИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ
Ключевые слова: малоотходные технологии, понижение давления, конденсация, эжектирование.
Разработан общий подход к созданию безотходных технологий многономенклатурных и малотоннажных периодических производств, основанный на понижении давления парогазовой среды. Приведены некоторые разработки, внедренные на предприятии химической промышленности.
Key words: low-waste technology, reducing of pressure, condensation, ejecting.
General approach to the creation of clean technologies multinomenclature and low-tonnage of periodic production, based on the reducing of vapor-gas pressure of medium has been considered. The some of the designs were embedded in the chemical industry.
Промышленная переработка различных химических продуктов, как правило, сопровождается образованием вредных отходов. К ним относятся продукты реакций не находящие применения, продукты неполного или неглубокого превращения, полимеризации, газы, не вступившие в реакцию, отработавшие катализаторы, адсорбенты, абсорбенты, фильтровальные материалы не пригодные для повторного использования. Кроме того, к отходам относятся потери сырья, промежуточных и готовых продуктов вследствие негерметичности оборудования химических производств.
Примерами могут служить процессы, сопровождающиеся удалением части жидкости в виде пара или газообразных смесей на различных стадиях производства: кристаллизация твердой фазы из растворов в производствах медицинских препаратов [1], минеральных удобрений [2]; десорбция растворителя из пористых сорбентов на фазе его рекуперации [3]; концентрирование солей химических продуктов [4]; сушка влажных материалов [5]; выделение жирных кислот из соапстоков в производстве мыла [6] и другие.
Специфические свойства большинства жидкостей и газов исключают возможность их выделения в окружающую среду по экономическим соображениям, а также в соответствии с санитарными нормами и условиями безопасности [7].
В промышленности улавливание паров легколетучих растворителей обычно производится путем адсорбции активными углями [8]. При реализации процесса по классической четырехфазной схеме стадии разделения смеси конденсата и фазы десорбции угля водяным паром и часто определяют экономическую эффективность процесса в целом. По причине высокой стоимости рекуперационных технологий малотоннажные производства (мебельное, фармацевтическое, резинотехническое и др.) не оснащены оборудованием для улавливания паров растворителей, что приводит к ежегодным выбросам сотен тонн ценных или вредных веществ в атмосферу.
В документах конференции Организации Объединенных Наций по окружающей среде [9, 10] отмечена настоятельная необходимость перехода всех стран на модель устойчивого развития, которая
в качестве одного из приоритетных направлений предусматривает сбалансированное решение задач социально-экономического роста и сохранения благоприятного состояния окружающей среды. Новая стратегия Российской Федерации по охране природы предполагает использование наиболее эффективных достижений научно-технического прогресса, при котором расширение хозяйственной деятельности должно компенсироваться решением проблем экологии на конкретных предприятиях [11, 12].
Одним из направлений, обеспечивающим рациональное использование всех компонентов сырья и энергетических ресурсов, является создание малоотходных технологий. Под малоотходными технологиями [13] понимаются способы производства продукции, при котором вредное воздействие на окружающую среду не превышает уровня, допустимого санитарно-гигиеническими нормами. В основе организации малоотходного производства лежит ряд принципов, ключевым из которых является системность, в соответствии с которой каждый отдельный процесс рассматривается как элемент более сложной системы.
Химическое предприятие состоит из большого числа взаимосвязанных подсистем, между которыми существуют отношения соподчиненности в виде иерархической структуры [14, 15]. При этом системы, относящиеся к более низкой ступени иерархии и действующие совместно, выполняют все функции подсистемы, принадлежащей высшей ступени иерархии.
Первую, низшую ступень иерархической структуры малоотходного производства образуют типовые процессы химической технологии. Каждый типовой процесс рассматривается как подсистема, имеющая входы и выходы. Основу следующей ступени иерархии безотходного химического производства составляют агрегаты, то есть взаимосвязанная совокупность отдельных типовых процессов и аппаратов, осуществляющая рекуперацию материальных и энергетических ресурсов.
При организации малоотходного производства необходимо выполнить определенные требования, предъявляемые к аппаратурному оформлению технологических процессов, а именно: обеспечение
герметичных условий протекания технологических процессов.
Реализация данного требования в промышленности возможна при проведении процессов в условиях понижения давления парогазовой среды. В зависимости от специфики производства организовать такие процессы можно путем понижения общего давления среды [16] или парциального давления пара (газа) [17].
Отличительной особенностью всех процессов, протекающих при понижении давления среды, является то, что установки для их реализации функционируют совместно с улавливающим оборудованием. Это объясняет наличие дополнительной ступени в иерархии типовых процессов и дает возможность рассматривать их как единую систему, точку приложения управляющих воздействий к которой следует искать во всех объектах этой системы.
Высший уровень иерархии устанавливает связь между аппаратами, которая может быть выражена уравнением [15]
ІРсІт - Успрс1т = Усвс1р:
(1)
где ] - поток массы, Р поверхность тепломассообмена, т - время, Чп - объемная производительность системы удаления пара, р - плотность пара, Усв - свободный объем аппарата.
В уравнении (1) первый член левой части определяет интенсивность испарения или выделения газообразных продуктов в парогазовую смесь; второй член - отвод компонентов смеси из аппарата в вакуумную линию; правая часть - изменение парциальной плотности компонентов смеси в сепарацион-ном пространстве герметичной камеры.
Согласно уравнению (1) с одной стороны исходные данные для расчета аппарата улавливания паров и газов определяются кинетикой процессов, протекающих при понижении давления среды, а с другой - изменение внешних условий, обеспечиваемое работой оборудования газоочистки, влияет на закономерности тепломассопереноса в системе.
Изолирование рабочего объема аппарата от окружающей среды обеспечивает повышение концентрации выделяемых компонентов и эффективность массообмена в устройствах газоочистки. В процессе понижения общего давления среды, который характеризуется удалением неконденсирующе-гося газа (воздуха) из свободного объема аппарата, наиболее эффективным способом улавливания паров является конденсация.
Любая малоотходная технология представляет собой химико-технологическую систему (ХТС), обладающую технологической структурой (топологией) и параметрами (условиями протекания процесса). Технологический процесс, сопровождающийся удалением жидкости в виде парогазовых выбросов, в условиях понижения давления среды представлен на рис.1 в виде технологической топологии. Структурная схема, состоящая из последовательно соединенных элементов: реактора 1 - (Р), системы удаления и улавливания паров и газов 2
(вакуумный насос - ВН, жидкоструйный эжектор -ЖЭ, вентилятор - В, конденсатор - К, абсорбер -АБ, адсорбер - АД, фильтр - Ф), дополнена направлениями материальных и энергетических потоков (указаны стрелками).
Рис. 1 - Топологическая схема процессов, протекающих при понижении давления среды: 1 - герметичный аппарат; 2 - система вакуумирования
На рис. 1 обозначено: т , О - масса и теплосодержание материала (раствора), тг, дтвх -масса инертного газа и парообразного целевого компонента в сепарационном пространстве реакционного объеме, дт'вх , дОвх - количество вещества и тепла, поступивших в реакционный объем извне, дтг, дтвх - масса инертного газа и пара, поступивших в систему газоочистки, дО - количество тепла, поступившего с газом и паром в систему газоочистки, дОвых - количество отведенного тепла
из системы газоочистки, дт11г, дОивых - количество инертного газа и тепла на выходе из системы вакуумирования, дтж - масса конденсата.
Выбор структуры и взаимосвязи элементов (ХТС) зависит от решения конкретной задачи, определяемой входными и выходными переменными технологических потоков системы, которые определяют ее состояние, т. е. характеризуют функционирование в каждый момент времени.
Отдельные стадии технологического процесса различных производств сопровождаются парогазовыми выбросами и выделением пыли в атмосферный воздух. Решить поставленные задачи по комплексной очистке выбросов не удается ввиду их различной природы, избирательности действия систем очистки или больших экономических затрат. На основе анализа работы предприятий выявлялись источники возможных вредных выбросов и определялись направления по их ликвидации. При этом учитывались индивидуальные особенности отдельных стадий производства и характеристика обрабаты-
ч!!
ваемых материалов. Как было отмечено выше, основное направление работы заключалось в обеспечении надежной герметизации технологического оборудования или локализации выбросов и применение эффективного оборудования по их устранению. Предложенный подход является одним из вариантов создания малоотходных технологических схем, не требующих дополнительных экономических и энергетических затрат.
На ОАО «Нэфис косметикс» внедрены системы газоочистки в цехе разлива кислот [18], мыловаренном [19] и глицериновом [20] цехах.
Система газоочистки в цехе разлива, выполненная по схеме Р—ЖЭ—Ф, обеспечивает ликвидацию выбросов при переливе олеума из цистерн в баки хранилища и подаче кислоты потребителям. Технологическая схема предусматривает герметизацию всего оборудования и включает в себя в качестве основного элемента жидкоструйный эжектор. Разрежение, создаваемое эжектором, обеспечивает перекачивание олеума. При этом рабочая жидкость является абсорбентом по отношению к выделяющимся диоксиду серы и парам кислоты. Окончательная очистка воздуха осуществляется в фильтре, где отфильтровываются капли рабочей жидкости.
Для перекачивания олеума за счет разрежения в трубопроводе с учетом его сопротивления и запорной арматуры необходимо обеспечить перепад давления 56 кПа. При давлении рабочей жидкости в сужающемся сопле 300 кПа и давлении выравнивания 110 кПа остаточное давление на входе в эжектор составит 50 кПа. Объемный коэффициент инжек-ции, рассчитанный по уравнению
^=0,85^/дPp/дPc -1, (2)
для приведенных исходных данных будет иметь значение ^ =0,9.
Геометрические параметры жидкоструйного эжектора с расходом рабочей жидкости О^ =2,8-10-3 м3/с, приведены в таблице 1.
В мыловаренном производстве ликвидация газовых выбросов при извлечении жирных кислот из соапстоков обеспечивается изоляцией реактора гидростатическим столом жидкости, локализацией парогазовых выделений из жироловушки и сообщения ее внутреннего объема через узел конденсации вторичных паров с жидкоструйным эжектором. Система па-рогазоочистки в цехе с химическим разложением соапстоков выполнена по схеме Р-К-ЖЭ.
Таблица 1 - Геометрические размеры эжектора
Диаметр сопла, мм 13,2
Диаметр камеры смешения, мм 36,5
Расстояние выходного сечения сопла до выходного сечения цилиндрической камеры смешения, мм 54,8
Длина цилиндрической камеры, мм 292
Выходной диаметр конфузора, мм 91,3
Длина коллектора, мм 5,8
Угол сужения коллектора, град. 40-80
Угол раствора конфузора, град. 8
Процесс взаимодействия соапстоков и серной кислоты сопровождается выделением большого количества тепла, которое расходуется на испарение жидкости. Улавливание парогазовой смеси осуществляется в несколько этапов. На первом этапе смесь проходит через конденсатор, несконденсиро-ванные пары с инертным газом (воздухом) поступают в эжектор, где вступают во взаимодействие с диспергированным абсорбентом. Кроме парогазовых выбросов из реактора в эжектор поступают пары из жироловушки и расходной емкости с кислотой. В данном случае обеспечивается газоочистка по централизованной схеме.
Характеристики жидкостного эжектора рассчитываются по формуле (2), а объемная производительность конденсатора, в случае конденсации насыщенного пара по уравнению
Осп = ктдТсррк/Рс Тнас + Рг0 , (3)
где кт - коэффициент теплопередачи, дТср -
средняя разность температур, Рк - площадь поверхности конденсатора, р - плотность пара, с
- теплоемкость пара, Тнас - температура
насыщения, 1д - скрытая теплота парообразования при 00С.
В производстве глицерина (при безреактив-ном расщеплении жиров) многокомпонентная паровая смесь из предварительно загерметизированной емкости слива композиции поступала на трехстадийную конденсацию. На каждой стадии поддерживалась заданная температура хладагента, что обеспечило разделение смеси на отдельные фракции. Улавливание паров и газов в данном случае организовано по схеме Р1-К-Р2-К-ЖЭ. Суммарная объемная производительность теплообменника при фракционной конденсации многокомпонентной смеси определялась по формуле
Осп =ктдТсрРк/^П-1р|(с 1Тнас1+Г01). (4)
/ 1=1
Зависимость площади поверхности теплообмена от скорости образования пара, рассчитанная по уравнениям (3), (4) для однокомпонентной и бинарной жидкостей, представлена на рис. 2.
Рис. 2 - Зависимость площади теплообмена от скорости образования пара
Литература
1. Майофис, Л.С. Химия и технология химикофармацевтических препаратов / Л.С. Майофис. - Л.: Медицина, 1964. - 716 с.
2. Хамский, Е.В. Кристаллизация в химической промышленности / Е.В. Хамский. - М.: Химия, 1979. - 344 с.
3. Серпионова, Е.Н. Промышленная адсорбция газов / Е.Н. Серпионова. - М.: Высшая школа, 1969. - 416 с.
4. Колач, Т.А. Выпарные станции / Т.А.Колач, Д.В. Радун.
- М.: Машгиз, 1963. - 219 с.
5. Голубев, Л.Г. Сушка в химико-фар-мацевтической промышленности / Л.Г. Голубев, Б.С. Сажин, Е.Р. Валашек. - М.: Медицина, 1978. - 272 с.
6. Тютюнников, Б.Н. Химия жиров: 2-е изд. перераб. и доп. / Б.Н. Тютюнников. - М.: Пищевая пром-сть, 1974.
- 448 с.
7. Макаров, Г.В. Охрана труда в химической промышленности / Г.В. Макаров, А.Я. Васин, Л.К. Маринина - М.: Химия, 1989. - 496 с.
8. Николаевский, К.М. Проектирование рекуперации летучих растворителей с адсорберами периодического действия / К.М. Николаевский. - М.: Оборонгиз, 1961. -238 с.
9. Колесник, А.А. Об основных принципах концепции устойчивого развития для Республики Татарстан // Актуальные экологические проблемы Республики Татарстан: Тез. докл. II Республ. конф. - Казань, 1995. -С. 77.
10. Хасанов, М.Х., Актуальные вопросы обеспечения перехода Республики Татарстан на модель устойчивого развития / М.Х. Хасанов, М. М. Гимадеев // Актуальные экологические проблемы Республики Татарстан: Тез. докл. II Республ. конф. - Казань, 1995. - С. 6-7.
11. Нурутдинов, Г.С. К вопросу выбора стратегии охраны природы в районах размещения шинного производства / Г.С. Нурутдинов, Г.Я. Власов, Н.Ю. Никитин // Нефтехимия-92: Тез. докл. 2-й Республ. конф. -Нижнекамск, 1992. - С. 43.
12. Чакрий, П.С. Совершенствование производств фенола с целью улучшения технико-экономических и
экологических проказателей / П.С. Чакрий, С.А. Ланге, Г.П. Павлов // Нефтехимия-94: Тез. докл. 3-й Республ. конф. - Нижнекамск, 1994. - С. 146-147.
13. Реймерс, Н.Ф. Экология (теории, законы, правила, принципы и гипотезы) / Н.Ф. Реймерс - М.: Россия молодая, 1992 - 312 с.
14. Кафаров, В.В. Принципы создания безотходных химических производств / В.В. Кафаров. - М.: Химия, 1982. - 288 с.
15. Лашков, В.А. Исследование процессов, протекающих при понижении давления среды, с позиций системного анализа / В.А. Лашков, С.Г. Кондрашева, Д.А. Хамидул-лина // Вестн. Казан. технол. ун-та. 2011. - №20. С.122-129.
16. Лашков, В.А., Аппаратурное оформление процессов, протекающих при понижении общего и парциальных давлений парогазовой среды / В.А. Лашков, С.Г. Конд-рашева, Д. А. Казанцева // Вестн. Казан. технол. ун-та. 2011. - №8. С.135-143.
17. Лашков, В.А. Обзор направлений использования эффекта, возникающего при понижении давления парогазовой среды / В.А. Лашков, С.Г. Кондрашева // Вестн. Казан. технол. ун-та. - 2011. - №16. - С. 210-215.
18. Пат. 2054374, МПК6 В 67 D 5/04. Способ перекачивания агрессивных жидкостей / В.А. Лашков, Р.Г. Сафин, Д.А. Садыков; заявитель и патентообладатель НТЦ РПО. - №93003663/03; заявл. 26.01.93; опубл. 20.02.96, Бюл. № 5. - 4 с.
19. Пат. 2073699, МПК6 С 11 В 13/02. Установка для извлечения жирных кислот из соапстоков / В.А. Лашков, Р.Г. Сафин, Д.А. Садыков; заявитель и патентообладатель НТЦ РПО.- №93004237/13; заявл. 26.01.93; опубл. 20.02.97, Бюл. № 5. - 5 с.
20. Пат. 2175001, МПК7 С 11 В 13/00. Установка безреак-тивного расщепления жиров / В.А. Лашков, В.Н. Башкиров, Р. Г. Сафин заявитель и патентообладатель НТЦ РПО.- №2000107132/13; заявл. 21.03.2000; опубл. 20.10.2001, Бюл. -№ 29. - 4 с.
© В. А. Лашков - д-р техн. наук, проф. зав. каф. машиноведения КНИТУ, lashkov_dm@kstu.ru; С. Г. Кондрашева - канд. техн. наук, доц. той же кафедры.
