CC BY
0
УДК 66.011.001.570 75 Пецух Т.Н., Сбоева Ю.В.
ОЦЕНКА СОВМЕЩЕНИЯ НА ОДНОЙ УСТАНОВКЕ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРОИЗВОДСТВА АЗОКРАСИТЕЛЕЙ ЗАДАННОГО АССОРТИМЕНТА
Пецух Таисия Николаевна - студентка 4-го года обучения кафедры кибернетики химико-технологических процессов; taya.pecuh@mail.ru.
Сбоева Юлия Валерьевна - кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры кибернетики химико-технологических процессов;
ФГБОУ ВО «Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева», Россия, Москва, 125047, Миусская площадь, дом 9.
В статье рассмотрены математическая модель и алгоритм синтеза совмещённой химико-технологической системы производства азокрасителей заданного ассортимента. Аппараты в составе многопродуктовой системы взаимодействуют непосредственно и работают в периодическом режиме.
Ключевые слова: малотоннажное производство, многопродуктовая химико-технологическая система, периодический режим работы оборудования, азокраситель
EVALUATION OF THE COMBINATION ON ONE INSTALLATION OF CHEMICAL AND TECHNOLOGICAL PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF AZO DYES OF A GIVEN RANGE
Petsukh T.N., Sboeva I.V.
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russian Federation
The article discusses the mathematical model and the algorithm for the synthesis of the combined chemical and technological system for the production of azo dyes of a given assortment. The devices as part of a multiproduct system interact directly and operate in a periodic mode.
Key words Lowtonnage production, multiproduct chemical and technological system, periodic operation of equipment, azo dye.
Азокрасители представляют большой класс органических соединений с широким применением во многих отраслях химической промышленности. Это окраска различных материалов, также использование красителей в аналитической химии, в медицине в качестве средств диагностики, при биохимических исследованиях, в жидких лазерах, в физических приборах в виде элементов, обладающих фотопроводимостью и некоторыми другими свойствами.
Производства азокрасителей являются малотоннажными. Такие производства
характеризуют обширный ассортиментом продукции и сложные многостадийные процессы химического синтеза, выделения и очистки целевых и промежуточных продуктов. Азокрасители в промышленности получаются преимущественно в результате процессов диазотирования и азосочетания, которые организуются как традиционным, так и интенсифицированным способом. Традиционный режим реакций диазотирования и азосочетания предполагает проведение их при пониженной температуре (0-10оС) и продолжительном времени контакта реагентов (5-10 часов). Интенсифицированый способ, по которому диазотирование и азосочетание протекает при повышенных температурах (20-70оС) и малом времени пребывания реагентов в аппаратах (8-15 минут), значительно повышает удельную производительность технологического оборудования и качество получающегося красителя [1].
В настоящее время лидером химической промышленности в производстве красителей является «Крата» (ОАО «Пигмент», г. Тамбов). Продукция предприятия используется в лёгкой, текстильной, кожевенной, целлюлозно-бумажной, полиграфической и других отраслях [2].
Анализ экспортного рынка России по красителям показывает востребованность продаж за рубежом [3]. Также активному развитию производства азокрасителей в России способствует программа импортозамещения. Специфика получения этих продуктов состоит в разнообразии ассортимента при сравнительно небольшом объёме производства. Это обуславливает создание малотоннажных
многопродуктовых (совмещённых и частично совмещённых) химико-технологических систем (ХТС) производства красителей, которые позволяли бы экономить затраты без ущерба качества готового продукта.
В данной работе проводилась оценка возможности совмещения индивидуальных производств азокрасителей (кислотный, хромовый) на одной многопродуктовой установке. Такой анализ включал:
• изучение технологической и аппаратурной структур индивидуальных ХТС производства азокрасителей заданного ассортимента;
• формирование аппаратурного состава совмещённой ХТС получения красителей;
• расчёт индивидуальных ХТС производства названных красителей для требуемой производительности с определением размеров
основного оборудования и выполнением экономической оценки схем по приведённым затратам;
• синтез многопродуктовой ХТС производства азокрасителей с проведением экономической оценки по приведённым затратам целесообразности совмещения процессов получения красителей на одной установке по сравнению с индивидуальными схемами производства красителей: кислотного и хромового.
Математическая формулировка задачи оценки совмещения на одной установке химико-технологических процессов производства
азокрасителей заданного ассортимента включает экономический критерий и ограничения [4].
Критерий - приведенные затраты на выпуск красителей:
т
д = ад-) + С3} ■ (1^,7}) V (1)
7=1_
где ] = 1, т аппаратурные стадии;
- объём аппарата, м3 (выбирается из
стандартного ряда оборудования);
Л". - число параллельных аппаратов на стадии;
Т. - продолжительность работы аппарата на
стадии] в течение годового фонда времени работы ХТС, ч;
С. - капитальные затраты на основное оборудование (представлены в виде стандартных
рядов);
- эксплуатационные затраты;
Е - - нормативный коэффициента окупаемости, Ен = ОД 5.
Эксплуатационные затраты являются функцией объёма аппарата и продолжительности работы аппарата на стадии j в течение годового фонда времени работы ХТС. В исследуемых технологических процессах эксплуатационные затраты включают в себя затраты на электроэнергию и хладагент:
Ч
где í - = 1, Ь] - число операций для стадии];
С. - мощность на валу мешалки, кВт;
С - стоимость 1 кВтч электроэнергии;
С - стоимость хладагента, руб/м3;
'■:. -. - расход хладагента, м3/ч;
- продолжительность работы аппарата на
стадии] в течение годового фонда времени работы ХТС, ч.
где ¡. = \,п продукты;
Т^ продолжительность работы аппарата на
стадии] в течение годового фонда времени работы ХТС (для одного продукта);
Иу число циклов работы аппарата на стадии]
при производстве продукта
г.. - продолжительность технологического цикла аппарата] при производстве продукта 1, ч;
: - число партий продукта I;
0. - производительность по продукту г, кг/год;
о. - массовый размер партии продукта I, кг.
В системе ограничений содержатся условия выполнения планового задания (7), условия выбора необходимого размера оборудования (8) и согласования его функционирования (9), а также условия дискретности размеров аппаратов в стандартных рядах (10) и целочисленности количества аппаратов (11)
^ Т (?)
г.. = " = 1 - : (9)
]- 1,171 ")
I?;=<И5СГ\ \ = 1дп; (10) Л". = ;;;г: 1=1 (11)
где - производительность по продукту /, кг/год;
7 - годовой фонд времени работы ХТС, ч;
- продолжительность технологического цикла ХТС при производстве продукта /, ч;
А/, - число параллельных аппаратов на стадии;
о. - массовый размер партии продукта г, кг;
у.. - материальный индекс стадии ] для продукта /, м3;
- соответственно верхний и нижний
коэффициенты заполнения объёма аппарата на стадии] для продукта г.
Для решения поставленной задачи разработан эвристический алгоритм. Размер партии продукта выбирается исходя из минимального объёма аппарата в стандартном ряду для последней стадии производства, далее уточняется по условию выполнения планового задания (7). Для полученного размера партии продукта выполняется расчёт объёма аппарата на каждой стадии ХТС (8) и выбор ближайшего большего аппарата из стандартного ряда (10).
С помощью разработанного на языке С++ программного комплекса получены следующие результаты.
Индивидуальная ХТС производства кислотного красителя для заданной производительности с рассчитанным размером аппарата на каждой стадии (А/, = 1) и экономической оценкой по приведённым
затратам (Таблица 1).
Таблица 1. Индивидуальная ХТС производства кислотного красителя
Стадии Объём Производительность, Приведённые
производства аппарата, м3 кг/год затраты, руб.
Диазотирование 0.4
Азосочетание 0.63
Высаливание 0.63
Фильтрование 0.75 40000 20 021 186
Суспензирование 0.16
Сушка 0.1
Установка на тип 0.05
Индивидуальная ХТС производства хромового красителя для требуемой производительности с определенными размерами аппаратов в составе системы (А^- = 1) и экономической оценкой по
приведённым затратам (Таблица 2).
Многопродуктовая ХТС производства
азокрасителей (А^ = 1) с экономической оценкой по
_Таблица 2. Индивидуальная ХТС производства хромового красителя
Стадии производства Объём аппарата, м3 Производительность, кг/год Приведённые затраты, руб.
Диазотирование 0.4 45000 21 747 286
Азосочетание 0.4
Высаливание 0.63
Фильтрование 0.5
Суспензирование 0.16
Сушка 0.1
Установка на тип 0.05
приведённым затратам совмещения процессов получения красителей на одной установке по сравнению с индивидуальными схемами производства красителей: кислотного и хромового (Таблица 3).
Таблица 3. Многопродуктовая ХТС производства азокрасителей
Стадии производства Объём аппарата, м3 Производительность, кг/год Приведённые затраты, руб.
Диазотирование 1.0 Кислотный 40000 Хромовый 45000 Совмещённая система 31 226 104 Индивидуальные ХТС 41 768 472
Азосочетание 1.0
Высаливание 1.2
Фильтрование 1.25
Суспензирование 0.4
Сушка 0.3
Установка на тип 0.1
Расчёт показал, что организация совмещённой ХТС может обеспечить экономию по приведённым затратам по сравнению с индивидуальными схемами в размере 10542368 рублей.
На лимитирующей (наиболее продолжительной) стадии многопродуктовой ХТС возможна установка параллельно работающих аппаратов. Это позволит уменьшить продолжительность технологического цикла системы (9), размеры партий продуктов (7) и объёмы аппаратов на стадиях производства (8), (10), что приведёт к сокращению затрат.
Совмещённая ХТС получения азокрасителей заданного ассортимента с двумя параллельными аппаратами на лимитирующей стадии (установка на тип) обеспечивает экономию 9531371 рублей по приведённым затратам по сравнению с той же системой, но с единственным основным аппаратом на самой продолжительной стадии производства.
Список литературы
1. Сбоева Ю.В., Зеликина М.А. Разработка базы данных технологических процессов в производствах азокрасителей. Успехи в химии и химической технологии. - М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2007. -с. 74-79
2. Официальный сайт компании АО «Пигмент». [Электронный ресурс] - URL:https://krata.ru/ (дата обращения 20.05.2022)
3. Анализ рынка красителей и пигментов в России в 2016-2020 гг, оценка влияния коронавируса и прогноз на 2021-2025 гг. Демоверсия. - - 2022. [Электронный ресурс] - URL: https://businesstat.ru/images/demo/dyes and pigments ru ssia demo businesstat.pdf (дата обращения 20.05.2022)
4. Макаров В.В. Оптимизация химико-технологических систем с дискретным режимом работы: учеб. пособие/ В.В. Макаров - М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2012. - 84 с.
