CC BY
35
УДК 662.352
Н. Ю. Козлова, А. И. Хацринов, Р. Ф. Гатина РАЗРАБОТКА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО СПОСОБА ПРИГОТОВЛЕНИЯ КИСЛОТНЫХ СМЕСЕЙ
Ключевые слова: нитрование, нитрующие кислотные смеси, он-лайн анализатор, автоматизированный способ
приготовления кислотных смесей.
Для контроля кислотных смесей в потоке подобран «он-лайн» анализатор «Integral», осуществляющий анализ методом ионной хроматографии. В результате проведенной исследовательской работы разработан автоматизированный способ приготовления нитрующей кислотной смеси, в котором анализ кислот в диапазоне концентраций HNO3 15-30%, H2SO4 50-80%, H2O 10-20%. осуществляется в автоматическом режиме.
Key words: nitration, nitrating acid mixture, on-line analyzer, an automated method of preparing of acid mixtures.
To control the flow of acid mixtures is picked up 'online' analyzer Integral, performing analysis by ion chromatography. As a result of research work developed an automated method ofpreparing a nitrating acid mixture.
Введение
Нитрование - основная стадия в производстве нитратов целлюлозы [1], она заключается в обработке целлюлозного сырья смесями азотной и серной кислот строго определенного состава по реакции
С6Н702(0Н)эп +п3НЫОз ^ С6Н702(0М02)эп + п3Н20
В ходе данной реакции расходуется азотная кислота и выделяется вода. Таким образом, на производстве в процессе нитрования образуются отработанные кислотные смеси, обедненные азотной кислотой и обогащенные водой. Данные смеси являются непригодными для нитрации целлюлозы.
Нитрующие кислотные смеси на производстве готовят из отработанных кислотных смесей путем укрепления их расчетным количеством свежих азотной и серной кислот до получения заданного состава. Также возможно приготовление нитрующих кислотных смесей из свежих азотной, серной кислот и воды.
В настоящее время приготовление нитрующей кислотной смеси на производстве осуществляет периодическим способом. При изготовлении нитрационной кислотной смеси из отработанных и свежих кислот вначале в смеситель закачивается отработанная кислотная смесь. Затем при работающих лопастях смесителя заливаются свежие кислоты. При этом, не дожидаясь результатов анализа отработанной кислотной смеси, производят дозировку свежих кислот, руководствуясь предыдущими результатами анализа.
Основными проблемами приготовления смесей данным способом являются длительность и сложность процесса приготовления смесей, неточность дозирования, сложность и трудоемкость существующих методов анализа, отсутствие автоматизации процесса, невозможность контроля основных технологических параметров процесса, взаимодействие персонала с концентрированной кислотой.
Решением данных проблем является разработка автоматизированного способа приготовления
нитрующих смесей, который позволит полностью контролировать и регулировать процесс приготовления смесей [2], повысить производительность технологической линии и качество приготовления нитрующей смеси, сократить время и количество анализов, повысить безопасность технологического процесса, освободить рабочий персонал от необходимости пребывания на опасной технологической стадии.
При создании автоматизированного способа приготовления нитрующей кислотной смеси актуальной задачей является определение состава отработанной кислотной смеси в автоматическом режиме. Это возможно осуществить с помощью полностью автоматизированных приборов - «онлайн» анализаторов, выполняющих анализ кислотных смесей непосредственно из технологического потока без участия человека. В таком приборе полностью автоматизированы все стадии анализа, такие как отбор проб, подготовка пробы к анализу, анализ, получение и обработка результатов. Автоматический анализатор должен располагаться на производстве, непосредственно вблизи бака-сборника отработанных и рабочих кислотных смесей и подключаться к системе АСУТП с помощью программного обеспечения.
В работах [3,4,5,6] представлены результаты исследований кислотных методами ионной хроматографии, потенциометрического и термометрического титрования с целью подбора «он-лайн» анализатора.
В работе [7] описано, какие взаимодействия могут происходить между азотной и серной кислотами в нитрующей кислотной смеси, что также важно при автоматизации приготовления нитрующих кислотных смесей.
Целью работы является разработка автоматизированного способа приготовления нитрующих кислотных смесей.
Экспериментальная часть
В проведенных нами экспериментальных работах [3], [4] был рекомендован метод ионной хроматографии для анализа кислотных смесей в режиме реального времени.
Способ определения состава кислотных смесей
методом ионной хроматографии в потоке отрабатывался в лабораторных условиях на установке, являющейся аналогом промышленного анализатора. Она состоит из ионного хроматографа «ICS 2100» и блока автоматического разбавления «SP», инертного газа-азота.
Принцип действия ионного хроматографа «ICS 2100» основан на безреагентной системе с электролитической подготовкой элюента, что позволяет автоматизировать метод ионной хроматографии. Устройством, фиксирующим аналитический сигнал, служил
кондуктометрический детектор. Разделение смеси на ионы осуществлялось в разделительной колонке «IonPack Fast Anion III А». Управление анализатором, а также сбор, обработку результатов анализа, передачу данных в систему АСУТП осуществляло программное обеспечение «СЬгоше1еоп РА 6.80».
Для реализации автоматического контроля кислотной смеси на стадии приготовления нитрующих кислотных смесей выбран «он-лайн» анализатор «Integral».
Промышленный анализатор «Integral» - система, состоящая из модулей, объединенных в единый корпус: ионного хроматографа «ICS 2100», блока автоматической подготовки проб «SP Integral», системы управления потоками проб. Анализатор осуществляет автоматически отбор пробы из технологических потоков, подготовку пробы к анализу, производит анализ пробы и выдачу результатов анализа на процессор.
На рис. 1 представлен автоматизированный способ приготовления нитрующей кислотной смеси. Основным технологическим оборудованием является аппарат с перемешивающим устройством непрерывного действия, объемом 5 м3, центробежные насосы для подачи свежих кислот, центробежные насосы ХМ 40/30К55А-11/2Е для подачи отработанных кислотных смесей и воды, баки-сборники свежих кислот, нитрующей кислотной смеси и воды.
Рис. 1 - Автоматизированный способ приготовления кислотной смеси.
Описание автоматизированного способа приготовления нитрующих кислотных смесей из отработанных кислотных смесей
Определяется состав отработанной кислотной смеси в баке-сборнике поз.6/1 методом ионной хроматографии с помощью автоматического
анализатора («Integral»), и плотность кислотной смеси с помощью промышленного плотномера («DT 300»). Предварительно производится анализ свежих кислот в баках сборниках поз. 1,2 с помощью анализатора («Integral»), учитывая значение плотностей кислот. В программе производится пересчет массовых долей ионов в процентное содержание кислот в отработанной смеси, учитывая значение плотности. Далее рассчитываются в программе объемные расходы для подачи свежих кислот, и отработанных смесей. Далее по команде открывается запорно-регулирующая аппаратура на линиях подачи отработанных и свежих кислот, и согласно рассчитанному расходу кислот начинается подача свежих азотной и серной кислот центробежными насосами поз.3,4 в непрерывно-действующий смеситель поз.5, объемом 5м3. Одновременно с началом подачи кислот в смеситель включается перемешивающее устройство смесителя. Расход свежих кислот контролируется с помощью электромагнитных расходомеров и запорных клапанов. Подача отработанных кислот в непрерывно-действующий смеситель
осуществляется центробежным насосом поз.7. Расход поступающих в смеситель отработанных кислот контролируется с помощью запорно-регулирующего клапана и электромагнитного расходомера. Подача свежих кислот в смеситель осуществляется одновременно с подачей отработанных тройных смесей кислот. На выходе из непрерывно-действующего смесителя нитрующая смесь непрерывно поступает в бак-сборник нитрующих смесей поз.9. По завершении процесса смешения кислот, с учетом рассчитанных расходов по кислотам, одновременно отключаются насосы и запорные клапана на линиях подачи свежих кислот, закрывается регулирующий клапан на линии подачи отработанных кислотных смесей, отключается перемешивающее устройство. Открывается клапан слива оставшегося количества кислоты в смесителе, происходит слив кислоты. После слива клапан автоматически закрывается. Во время подачи кислот в смеситель непрерывно ведется отвод образующегося при смешении кислот тепла, путем подачи в рубашку смесителя хладагента (водопроводной воды).
Когда нитрующая смесь полностью перетечет в бак-сборник нитрующих смесей, автоматически определяется состав готовой смеси с помощью «онлайн» анализатора, с учетом значения плотности. После определения состава, смеси подается на нитрацию.
Во время процесса приготовления смесей все параметры системы отображаются на экране монитора. Непрерывно ведется контроль за такими параметрами, как температура смеси в смесителе, нижние и верхние уровни баков-хранителей свежих кислот и отработанной смеси, расход свежих и отработанных смесей, состав и плотность свежих и отработанных смесей, значения давления жидкости в трубопроводах, pH охлаждающей жидкости в рубашке смесителя, также ведется контроль за работой двигателей перемешивающего устройства
смесителя и насосов.
Описание автоматизированного способа приготовления нитрующих кислотных смесей из свежих кислот
В случае приготовления нитрующей смеси из свежих кислот, в программе рассчитываются объемные расходы свежих кислот и воды. Включаются насосы свежих кислот поз.3,4, включается насос на линии подачи воды, открывается запорные клапана на линии подачи кислот и воды, включается перемешивающее устройство смесителя. В смеситель одновременно подаются азотная кислота, серная кислота, и вода. Расход свежих кислот контролируется с помощью электромагнитных расходомеров. Расход воды контролируется с помощью расходомера - счетчика. Во время подачи кислот в смеситель непрерывно ведется отвод образующегося при смешении кислот тепла, путем подачи в рубашку смесителя хладагента (водопроводной воды). Образующаяся тройная смесь из смесителя поступает в бак-сборник нитрующих кислотных смесей поз.9. По завершении процесса приготовления смесей отключаются насосы кислот, центробежный насос и запорный клапан на линии подачи воды, отключается перемешивающее устройство смесителя. Открывается клапан слива оставшегося количества кислоты в смесителе, происходит слив кислоты. После слива клапан автоматически закрывается. В баке сборнике поз.9 определяется состав нитрующих кислотных смесей с помощью «онлайн» анализатора. После определения состава смесь подается на нитрацию.
Вывод
В результате проведенной исследовательской работы подобран «он-лайн» анализатор «Integral» для контроля кислотных смесей в потоке, осуществляющий анализ методом ионной хроматографии.
Разработан автоматизированный способ приготовления кислотной смеси, в котором анализ кислот в диапазоне концентраций HNO3 15-30%, H2SO4 50-80%, H2O 10-20%. осуществляется в автоматическом режиме.
Литература
[1] Гиндич В.И. Производство нитратов целлюлоз / В.И. Гиндич, Л.В. Забелин, Г.Н. Марченко - ЦНИИНТИ, 1984.-360 с.
[2] Орлова Е.Ю. Химия и технология бризантных взрывчатых веществ / Е.Ю. Орлова - М. Государственное научно-техническое издательство Оборонгиз, 1960. -397 с.
[3] Н.Ю. Козлова, Ю.А. Павлычева, А.И. Хацринов, Р.Ф. Гатина, Вестник Казанского технологического университета, 17, 11, 70-72, (2014).
[4] Н.Ю. Козлова, Ю.А. Габдрахманова, А.И. Хацринов, Р.Ф. Гатина, Вестник технологического университета, 18, 5, 26-29, (2015).
[5] Н.Ю. Козлова. Тезисы докладов Научно-технической конференции молодых ученых и специалистов, посвященной 70-летию Победы в Великой Отечественной войне (г. Казань, 25-27 мая на базе ФКП ГНИИХП). OOO «Инновационно-издательский дом «Бутлеровское наследие», Казань, 2015, Том 43, №9s., C. 62-63.
[6] Н.Ю. Козлова, А.И. Хацринов, Материалы V международной молодежной научно-практической конференции «Научные исследования и разработки молодых ученых» (г. Новосибирск, Россия, 19 июня). Издательство НГТУ, 2015, С.144-148.
[7] Н.Ю. Козлова, А.И. Хацринов, Р.Ф. Гатина, Бутлеровские сообщения, 44,11, 87-90, (2015).
© Н. Ю. Козлова - асп. каф. технологии неорганических веществ и материалов КНИТУ, kozlova_nadezhda_2014@mail.ru; А.И. Хацринов - д-р техн. наук, проф., зав.каф.технологии неорганических веществ и материалов КНИТУ; Р. Ф. Гатина -д-р хим. наук, проф., директор ФКП «ГосНИИХП».
© N. U. Kozlova - graduate stud. KNRTU, kozlova_nadezhda_2014@mail.ru; A. I Khatsrinov - Prof. KNRTU, R. F. Gatina -Prof., the director State scientific research institute of the chemical products.
