Кинетика, технология и комплексное аппаратурно-технологическое совершенствование заключительных стадий производства полупродуктов органических красителей: Выделение, фильтрование, удаление примесей, сушка

Работа посвящена решению важной проблемы — разработке и анализу научных основ организации заключительных стадий (выделение, разделение твердой и жидкой фаз, сушка) производства полупродуктов органических красителей (ПОК), что позволит обеспечить высокое качество продуктов, снизить энергозатраты процессов заключительных стадий, организовать возврат побочных продуктов в технологический процесс, повысить рентабельность производства и социально-экономическую эффективность мероприятий по защите окружающей среды.

Актуальность темы

.

Проблема повышения качества полупродуктов и вспомогательных веществ, используемых в химической промышленности, является актуальной задачей. Следует учитывать, что практически все химические производства являются многостадийными с достаточно сложной технологией. В них используется большое количество полупродуктов и вспомогательных веществ, например, наполнители различной химической природы, защитные коллоиды и диспергато-ры, средства для пропитки, выравниватели, регулирующие скорость сорбции красителей, средства повышающие стойкость окраски, средства препятствующие сорбции красителей определенного класса, электролиты, восстановители, окислители и т. д.

При анализе заключительных стадий в технологиях органических полупродуктов целесообразно производства классифицировать по следующим формальным признакам.

1. Мощность производств.

Здесь следует выделить многотоннажные производства основного органического синтеза (сюда относятся технологии получения анилина, метанола, бензола, салициловой кислоты, фенолов и др.) — среднеи малотоннажные (фенолы, нафталин, нафтолы, продукты тонкого органического синтеза).

2. Глубина переработки природных и доля используемых синтетических углеводородов и гетероциклических соединений.

По данному признаку можно укрупнено разбить все технологии на группы «сырьевых», основного и тонкого органического синтеза.

В группу «сырьевых» технологий относятся производства нафталина, бензола, фенолов и других продуктов. Это, так называемые, «сопутствующие» производства горно-металлургической, нефтегазовой и других отраслей промышленности. Такие производства, как правило, включают в себя минимум химических стадий переработки органических материалов или не имеют их вовсе. Очистка товарной продукции достигается применением комбинаций различных физико-химических операций (дробная кристаллизация из растворов или расплавов, экстракция, перегонка и ректификационная очистка).

Предприятия основного органического синтеза ориентированы, в основном, на производство полупродуктов, являющихся базовым сырьем при выпуске продукции тонкого оргсинтеза (фармацевтических препаратов, органических пигментов и красителей, химических добавок, используемых при получении синтетических каучуков и полимеров, вспомогательных веществ для текстильной промышленности). Производства таких полупродуктов включают в себя, обычно, три-четыре химические стадии. К таким материалам относятся нитро-, амино-, алкили гидроксипроизводные углеводородов и гетероциклических соединений ароматического и алифатического рядов.

Для данной отрасли характерным является широкое применение непрерывных методов производства, использование парофазных и контактно-каталитических процессов. При этом полученные в процессе синтеза аминои гидроксипроизводные бензола разделяют, в основном, химическими методами с применением экстракции или ректификационной перегонки. Производные нафталина, например, 2-нафтол очищают плавлением, перегонкой с последующей кристаллизацией из расплава.

Эффективность применения данных методов очистки целевого вещества и получения выпускной формы обуславливается, главным образом, малым содержанием органических примесей, то есть изначально высокой химической чистотой, или за счет значительных различий физико-химических свойств разделяемых веществ. В данных условиях достигаются высокие показатели химической чистоты и концентраций целевого компонента в товарном продукте.

Однако, высокая энергоемкость приведенных способов выделения и очистки, приводит к тому, что такие производства являются рентабельными только при достаточно крупном тоннаже и очень узком ассортименте выпускаемой продукции (1−2 продукта по одной технологической схеме).

Производства тонкого органического синтеза отличаются от рассмотренных выше достаточно широким ассортиментом выпускаемой продукции и охватом практически всех областей применения химических материалов. Это бытовые и промышленные химикаты (красящие, отбеливающие, моющие, очищающие композиции), выпускаемые как в жидком, так и в твердом видефармацевтические препараты и промежуточные субстанции медицинского назначения, органические красители, пигменты и др.

На предприятиях данной отрасли многие получаемые вещества могут являться и товарными продуктами, находящими конкретное целевое использование, и, одновременно с этим, применяющимися в качестве полупродуктов (сырья) при производстве других химических материалов на этом же или другом родственном предприятии.

Глубина переработки исходного сырья (природного или продуктов основного органического и нефтехимического синтеза) может достигать до семи-восьми и более химических стадий.

В некоторых производствах используются нестабильные или опасные при хранении вещества, поэтому их стремятся переработать в двух-трех химических стадиях в большой ассортимент более безопасных полупродуктов (например, дикетен является сырьем для ряда полупродуктов, таких как арилиды ацетоук-сусной кислоты, производные пиразолона и др.).

Мощность рассматриваемых производств колеблется от единичных партий до серийного производства. Длительность технологического цикла может изменяться от 3-И часов (производство анилида ацетоуксусной кислоты) до 60+70 часов (производства 2,7-нафталиндисульфокислоты, И-кислоты и др.).

Вышесказанное является основной предпосылкой для рассмотрения вопросов по реорганизации заключительных стадий именно полупродуктов тонкого органического синтеза.

В данной работе рассматриваются особенности технологических процессов и оборудование для получения выпускных форм полупродуктов, используемых для синтеза пигментов и красителей.

Процессы заключительных стадий в анилинокрасочной промышленности во многом определяют качество товарного продукта. Требования, предъявляемые к ПОК по аналитическим показателям (содержание целевого вещества и примесей) при низкой термостойкости высушиваемых продуктов, различной диспергируемости, склонности к агломерированию и высокой стоимости, вызывают необходимость всестороннего исследования и экспериментального изучения процессов заключительных стадий (выделение целевого продукта и его концентрирование) применительно к каждому конкретному материалу (ПОК).

Относительная малотоннажность производств способствовала тому, что в цехах на многих стадиях фильтрования и сушки полупродуктов органических красителей использовалось малоэффективное оборудование (нутчи друк-фильтры, рамные фильтр-пресса, центрифуги с ручной выгрузкой осадка, сушильные агрегаты с малоактивными гидродинамическими режимами).

Выбор оборудования для выделения твердой фазы из суспензии ПОК с оптимальными технологическими и энергетическими параметрами затруднен в связи со сложной структурой рабочей среды.

Суспензии полупродуктов и образующиеся в процессе их фильтрования осадки отличаются большим разнообразием свойств и характеристик. Дисперсность твердой фазы меняется в пределах от десятых долей миллиметра до миллиметра (на 5 порядков) — при этом удельное сопротивление осадков, характеризующее их фильтруемость, варьируется в интервале от 108 до 1016 м" (более чем в миллион раз). Многообразна форма частиц твердой фазы — от шарообразной до игольчатой. Пористость осадков, от которой зависит их сжимаемость, меняется в пределах от 0,9 до 0,4. Кроме того, суспензии характеризуются различным соотношением плотностей твердой и жидкой фаз и различной величиной поверхностного натяжения фильтрата и промывной жидкости. Вязкость среды может меняться в пределах от 0,1 до 10 Пас. Различны агрессивность среды (кислоты, щелочи, растворы солей, органические растворители и т. п.) и токсичность. Температура фильтруемой суспензии и промывной жидкости лежит в диапазоне от 20 до 90 °C. Полупродукты обладают взрывои пожаро-опасностыоих осадки имеют адгезию к фильтрующей перегородке. Суспензии и осадки характеризуются нестабильностью фильтрационных свойств.

Кроме того, в производстве большинства полупродуктов органических красителей, к числу которых можно отнести Гамма-кислоту (2-амино-8-нафтол-6-сульфокислота), И-кислоту (2-амино-5-нафтол-7-сульфокислота), Р-соль (2-нафтол-3, 6-дисуль-фокислоты динатриевая соль), Г-соль (калиевая соль-6,8дисульфо-(3-нафтола) и другие, на стадии синтеза основного вещества неизбежно образование большого количества водорастворимых примесей (до 17-Н23% от получаемой суспензии при содержании основного вещества 7-И 0%). Процесс их удаления из паст проводят при значительных (в 1,5-н2,5 раза превышающих объемы получаемых суспензий) расходах промывных вод и с привлечением дополнительно специального оборудования. При этом, выбирая способ и режим удаления водорастворимых примесей, необходимо учитывать свойства твердой фазы суспензий ПОК, характер взаимодействия примесей друг с другом и с целевым веществом и их фазовое состояние.

Остаточная кислотность и соли металлов, по некоторым данным [9], в сумме могут составлять от 70 до 85% от общего количества примесей, находящихся в суспензии, причем зачастую их концентрация в суспензии значительно превышает концентрацию целевого вещества и, следовательно, именно они определяют качественные показатели выпускных форм ПОК. Анализ состава суспензий полупродуктов органических красителей позволяет сделать вывод, что растворимость — основной, после содержания целевого вещества, качественный показатель, формирующийся в зависимости от содержания солей металлов и имеющий значения по пасте от 3 до 12%.

Наряду с неорганическими примесями суспензии полупродуктов органических красителей могут содержать, в небольших до 2,5−3% количествах, целую гамму органических соединений (непрореагировавшее сырье, продукты побочных реакций). Эти примеси хорошо растворимы в фильтрате, однако при определенных концентрациях могут оказывать влияние на потребительские свойства готовых продуктов. Так для Гамма-кислоты, в пересчете на продукт с остаточной влажностью 2%, недопустимо превышение следующих концентраций органических примесей: амино-Г-кислоты — 3,0%- сумма Г и Р-соли — 1,0%- сумма диокиси Г и Р-соли — 0,25%- диокись И-кислоты — 0.25%.

Так как содержание водорастворимых примесей («18%) и их влияние на формирование качественных показателей целевого вещества наиболее ощутимо, то разработка высокоэффективных методов их удаления из паст ПОК [10−12] и их аппаратурного оформления позволит решить задачу обеспечения качества продуктов.

Все многообразие методов удаления водорастворимых примесей из паст можно подразделить на три основные группы:

— методы удаления примесей из паст без разрушения их структуры (путем вымывания примесей промывной жидкостью в слое, сформированном на разделительной перегородке) [5, 7, 13−29];

— методы удаления примесей из паст с разрушением их структуры (путем смешивания (суспензирования) сформированного осадка с промывной жидкостью) [6, 7, 22, 30−32];

— методы снижения содержания водорастворимых примесей в суспензиях (до и после стадии выделения твердой фазы) [5, 7, 28,40−44].

Существующие методы удаления водорастворимых примесей из паст и суспензий ПОК, связанные с использованием промывной жидкости, такие как: промывка паст целевого вещества на разделительной перегородке [5−7, 17−19] или в специальных противоточных промывных колоннах [30−32]- репульпаци-онная промывка, осуществляемая в одну или несколько стадий [5−7, 22, 38]- де-кантационное снижение концентрации водорастворимых примесей в суспензиях до стадии разделения [5−7, 22], имеют ряд недостатков:

— значительные соотношения (до 45:1) объема промывной жидкости к объему исходной суспензии;

— использование специального оборудования и, следовательно, дополнительных производственных площадей, обслуживания и капитальных затрат;

— малая эффективность, в случае удаления кристаллических примесей;

— ограниченные возможности по организации замкнутых циклов по промывной жидкости (воде).

Различные модификации перечисленных методов позволяют частично устранить некоторые недостатки, так: использование подогретой промывной жидкости или пара [21] позволяет эффективнее удалять водорастворимые кристаллизующиеся примеси, но при этом увеличиваются потери целевого веществаподача промывной жидкости в направлении обратном направлению фильтрации [20] и использование противотока при репульпационной промывке [6, 7, 38] снижают расход промывной жидкости и увеличивают эффективность отмывки, однако в целом это малоэффективно в случае удаления кристаллизующихся солей.

Методы, связанные с кристаллизацией примесей до стадии разделения [40−44], напротив позволяют почти полностью устранить вышеперечисленные недостатки. Так, экспериментально установлено [48, 49], что использование предварительной кристаллизации водорастворимых примесей до стадии разделения позволяет до минимума (0,2:1) снизить соотношение промывной жидкости к исходной суспензии, что обеспечивает возможность организации замкнутого цикла по воде (промывной жидкости), позволяет получать выделенные примеси в концентрированном виде, пригодном для эффективного их отделения от целевого вещества и создает потенциальную возможность проведения всего процесса в одном аппарате.

Разработка нового оборудования для кристаллизации водорастворимых солей из многокомпонентных суспензий возможна на основе комплексных работ, включающих следующие этапы [41−48].

— определение тепло-физических свойств (плотность, вязкость и теплоемкость) многокомпонентных растворов и суспензий в зависимости от концентрации водорастворимых солей;

— определение равновесной концентрации водорастворимых солей для многокомпонентных растворов и суспензий;

— изучение явлений тепломассоопереноса на модельных и экспериментальных установках с математическим описанием кинетических закономерностей процесса зародышеобразования и роста кристалла;

— изучение реального процесса кристаллизации водорастворимых солей из многокомпонентных растворов и суспензий при изогидрическом способе создания пересыщения и в поле центробежных сил;

— решение конструкторских задач;

— решение технологических задач, обеспечение требуемых качественных и ресурсосберегающих показателей.

Полупродукты органических красителей, выпускаемые в пастообразном виде с высокой степенью чистоты по примесям, являются, в настоящее время, практически невостребованными из-за низкой концентрации целевого компонента. Повысить концентрацию можно путем обезвоживания пасты сушкой при режимных параметрах процесса, обеспечивающих стабильность химической структуры продукта при минимуме энергозатрат.

Сушильное оборудование, традиционно используемое в анилинокрасоч-ной промышленности (вакуум-гребковые сушилки, вальцеленточные и др.), не позволяют достичь высоких показателей по качеству и энергосбережению, так как стойкость к окислению у полупродуктов намного ниже, чем у органических красителей даже при низких температурах 60 н- 80 °C.

Учитывая, что наиболее важными показателями качества химических продуктов тонкого органического синтеза являются концентрация целевого вещества и химическая чистота [49−52], при экспериментальном обосновании технологических режимов процесса сушки для ряда ПОК наряду с классическими зависимостями, характеризующими кинетику удаления влаги из материала и его нагрев, были рассмотрены зависимости изменения концентрации целевого вещества во времени [53,54].

Кривые изменения концентрации целевого вещества во времени в данном случае являются более информативными, по сравнению с зависимостями классического вида, так как они интегрально учитывают, как кинетику прироста концентрации целевого вещества в продукте за счет уменьшения его влажности, так и наличие и характер влияния режима сушки продукта на сохранность первоначальной массы целевого продукта.

Из опыта промышленного производства известно, что большинство термолабильных ПОК, будучи подвержены малоинтенсивному тепловому режиму сушки, даже при достаточно низкой температуре материала, могут подвергаться деструкции, иногда с практически полной потерей целевого вещества, а при высокоинтенсивном режиме сушки, при повышенных температурах наоборот, сохраняют концентрацию целевого вещества, практически соответствующей его начальному содержанию.

Один и тот же продукт в одних условиях проведения процесса сушки может быть отнесен к термоустойчивым веществам, а в других — к легкоразлагающимся термочувствительным материалам.

Все вышесказанное определяет направление исследований процесса сушки ПОК, так как правильный подбор аппаратурного оформления процесса сушки и его технологических режимов невозможен без наличия количественных и качественных оценок термочувствительности продуктов и соответствующего описания процессов деструкции основного вещества в высушиваемом органическом продукте.

Известно, что структура органических соединений как очень прочные, так и слабые связи, поэтому совокупность устойчивости связей органических соединений характеризуется различной термической устойчивостью, что практически не учитывается в настоящее время при проведении технологических процессов сушки ввиду отсутствия классификации органических соединений по критерию «термическая устойчивость».

В фундаментальных курсах органической и физической химии практически не уделяется внимания вопросам свойств соединений с точки зрения термической устойчивости [55−59]. В прикладных научно-исследовательских работах [54,84,109,137−146] имеются сведения отрывочного характера. Кроме того, значения критерия, позволяющего оценить термическую устойчивость органических соединений, до сих пор не определены.

В качестве определяющих факторов формирующих термическую устойчивость органических соединений можно предложить.

— энергию химических связей, образующих молекулу;

— тип функциональных групп, входящих в состав молекулы;

— знак индукционного и мезомерного эффектов заместителей;

Сложность подходов к вопросам подбора оборудования для сушки какого-либо материала, даже без количественного учета термической устойчивости веществ освещается в работах Сажина Б. С. [60−63].

За критерий выбора оптимального сушильного оборудования взят обобщенный показатель, учитывающий изменение годовой производительности В (т/год), объема капитальных вложений К (руб.), эксплуатационных затрат Э и качественных показателей выпускаемого продукта Н в экономически эквивалентных соотношениях.

Практически, при выборе аппаратурного оформления и технологических режимов процесса сушки органических полупродуктов должна решаться задача оптимизации по экономическим параметрам, идентичная с «задачей баланса интересов». В основе выбора должен быть учет многих факторов: рекомендаций по выбору оборудования для данного конкретного продукта (например, [9]) стоимости продукта, теряемого при сушке, стоимости самого оборудования и всего процесса в целом. То есть при сушке достаточно «дешевого» и термостойкого продукта не целесообразно закупать дорогостоящее сушильное оборудование и тратить средства на экспериментальное уточнение технологических режимов, так как потери продукта в денежном выражении могут составлять незначительную долю в его себестоимости. Подвергая же сушке дорогостоящий «термочувствительный» материал, необходим тщательный подбор оборудования и обеспечение жестких ограничений по технологическим режимам сушки, так как потери от термического разложения продукта могут составлять значительную величину и определять рентабельность производства в целом.

Единственным параметром, нашедшим практическое применение, в настоящее время и характеризующим термическую устойчивость полупродуктов является «предельно допустимая температура сушки» [3, 9, 52].

Однако предельно допустимая температура сушки органических полупродуктов анилинокрасочной промышленности является зависимой от технологических параметров сушки, типа сушилки, чистоты продукта и используемых стабилизаторов, и, поэтому не может использоваться в качестве объективного [64−82].

Разработке научно обоснованных направлений и подходов к решению вышеперечисленных проблем, связанных с реорганизацией и усовершенствованием заключительных стадий в производствах ПОК посвящена данная работа, выполненная в соответствии со следующими планами научно-исследовательских работ.

— координационный план АН СССР по направлению «ТОХТ» «Исследование массои теплопереноса в процессах с твердой фазой (сушка, адсорбция, мас-сообмен, мембранные процессы)» на 1981;1985гг., (код 2.27.2.8.9.);

— планы научно-исследовательских работ Тамбовского института химического машиностроения (ТИХМ) на 1981 — 1985 гг. «Разработка методов и систем измерения коэффициентов теплои массопереноса»;

— координационный план АН СССР по направлению «ТОХТ» «Исследование гидродинамики и тепломассообмена в процессах сушки, адсорбции, экстракции и электродиализа» на 1985;1990 гг., код 3.21.003;

— план научно-исследовательских работ Тамбовского государственного технического университета по комплексной научно-технической программе «Перспективные информационные технологии в высшей школе» на 1991;1995 гг;

— координационный план АН СССР по направлению «ТОХТ» «Создание эффективного оборудования для совмещенных процессов сушки и термообработки» на 1991;1995гг., код 2.27.2.8.12;

— единый наряд-заказ Министерства образования РФ по теме «Разработка теоретических основ расчета и конструирования аппаратов и технологических узлов гибких автоматизированных установок химических и микробиологических производств» на 1998;2000 гг;

— межвузовская научно-техническая программа Минобразования России «Создание технологий и оборудования, обеспечивающих безопасность пищевых продуктов и хранения продовольствия», шифр П.И. 513.

— научно-техническая программа Министерства образования РФ «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» и подпрограммой 203 «Химические технологии» 2001;2003 гг;

— программа «Теоретические основы создания энергоресурсосберегающих процессов и оборудования гибких автоматизированных производств органических полупродуктов и красителей, при наличии неопределенности исходной информации» на 2003;2004 гг.

Целью работы является разработка, анализ, инженерная интерпретация, опытно-промышленная проверка и внедрение в производство научных основ организации заключительных стадий производства полупродуктов органических красителей.

Эта цель достигается комплексным решением следующих задач: углубленным анализом сведений об организации заключительных стадий (выделение целевого вещества, удаление водорастворимых примесей, сушка) производства ПОК и их физико-химических свойствахсочетанием апробированных и оригинальных методических обеспечений экспериментальных исследованийанализом современных способов организации высокоэффективных заключительных стадий производства ПОКисследованием степени влияния разных по физической природе факторов на процессы заключительных стадийразработкой и экспериментальной оценкой технологических параметров процессов заключительных стадий производства ПОКанализом кинетических закономерностей процессов заключительных стадий для наиболее перспективного выбора оборудования: разработкой нового, перспективного, способа удаления примесей из целевого веществаанализом социально-экономической эффективности разработанных рекомендаций и внедрением полученных результатов в производство.

Научная новизна работы состоит в следующем:

— в соответствии с поставленной целью впервые применительно к специфике производства ПОК предложены и научно обоснованы современные способы организации высокоэффективных заключительных стадий, состоящие в к комплексном усовершенствовании процессов выделения целевого продукта, удалении водорастворимых солей, сушке паст, целенаправленном использовании кинетических закономерностей этих процессов;

— предложена методика выбора оборудования заключительных стадий производства ПОК на базе основных положений теории массопереноса и комплексных теоретических и экспериментальных исследований процессов кристаллизации водорастворимых солей из многокомпонентных растворов суспензий и сушки с использованием термо-влажностных характеристик и учётом классификации ПОК по их термостабильности;

— разработаны теоретические основы совмещенного процесса выделения целевого продукта и удаления водорастворимых солей из многокомпонентных суспензий ПОК методом кристаллизации в поле центробежных сил;

— разработаны методы и установки для экспериментального исследования возможности совмещения процессов осаждения частиц целевого продукта суспензии, кристаллизации водорастворимых солей и осаждения кристаллогидратов примесей в поле центробежных сил в одном технологическом аппарате, и определения равновесных концентраций водорастворимых солей в многокомпонентных растворах суспензийдля исследования закономерностей тепломассообмена процесса сушки и скалывания продукта на одиночной частице инертного носителядля определения эффективной вязкости виброкипящих слоев ПОК по силе сопротивления, оказываемой перемещению в слое шарообразной частицейдля оценки диэлектрических и кинетических характеристик процесса сушки при микроволновом способе подвода тепла;

— применительно к специфике производства ПОК решена задача выбора сушильного оборудования, обеспечивающего высокие качественные показатели продукта в условиях энергосбережения;

— впервые предложены и экспериментально проверены уравнения для оценки и прогнозирования значений убыли целевого продукта ПОК при термическом воздействии (сушки) в зависимости от кинетических (коразл) и энергетических (£аразл) характеристик процессов, приводящих к снижению концентрации ПОК, и получены функции единого типа, связывающие кинетические и энергетические характеристики со значением убыли целевого компонента для сушилок различных типов;

— впервые доказано, что использование функциональных зависимостей, характеризующих скорость убыли содержания целевого компонента органического полупродукта при его термической обработке повышает надежность выбора типа сушильного аппарата и технологических параметров проведения процесса;

— изучена кинетика процесса кристаллизации водорастворимых примесей из суспензий ПОК в поле центробежных сил, обеспечивающем высокое качество целевого продукта и существенный энергосберегающий эффект и предложены критериальные уравнения для расчёта такого процесса, справедливые в достаточно широком диапазоне изменения обобщённых переменных, характерных для физико-механических и химических параметров суспензий ПОК;

— показана перспективность применения экспериментально-статистических методов для получения моделей процесса удаления (кристаллизации) водорастворимых солей из многокомпонентных суспензий ПОК;

— разработаны математические модели для технологического расчёта процесса удаления (кристаллизации) водорастворимых солей из многокомпонентных суспензий ПОК при изогидрической кристаллизации и в поле центробежных сил;

— предложены математические модели расчета технологических параметров процесса сушки для наиболее перспективных для ПОК методов (с активными гидродинамическими режимами), позволяющими для повышения точности расчета учитывать такие существенные факторы: количественные и качественные оценки термической устойчивости ПОК, неоднородность гранулометрического состава твёрдой фазы, изменение степени перемешивания и скорости перемещения материала в сушильном оборудовании.

На защиту выносятся.

— концепция организации заключительных стадий (выделение целевого продукта, разделение суспензии, удаление примесей, сушка) производства ПОК, целенаправленного использования кинетических закономерностей этих процессов и перехода к технологии, обеспечивающей высокое качество целевого продукта в условиях энергосбережения;

— математические модели для оценки убыли целевого продукта при термическом воздействии и методика расчета значений кинетических &-0разл и энергетических £аразл характеристик;

— уравнения для прогнозирования значений убыли целевого компонента вида — (АС) в зависимости от кинетических &-0разл и энергетических £аразл харакс1т теристик, зависящих от типа аппарата и гидродинамического режима;

— классификация ПОК по термической устойчивости, обеспечивающая возможность научно обоснованного выбора процесса сушки и его аппаратурного оформления;

— математические модели, описывающие кинетику процесса удаления водорастворимых солей из суспензий ПОК при изогидрической кристаллизации и в поле центробежных сил;

— математические модели процессов сушки паст на инертном носителе в виброаэрокипящем слое и в плотном слое с подводом СВЧ-энергии;

— способ и результаты теоретических и экспериментальных исследований по определению оптимальных режимов кристаллизации водорастворимых солей из суспензий;

— новое, перспективное научно-техническое решение проблемы аппаратурного оформления процесса удаления (кристаллизации) водорастворимых солей из суспензий ПОК;

— новая концепция снижения водорастворимых солей в сточных водах производства ПОК за счёт перевода их в твёрдую фазу кристаллизацией и дальнейшего использования в качестве вторичного сырья.

Практическая значимость и реализация результатов работы.

На основе теоретических, экспериментальных и опытно-промышленных исследований процесса кристаллизации водорастворимых солей из суспензий ПОК созданы и внедрены в ОАО «Пигмент» новые конструкции кристаллизаторов с использованием изогидрического способа создания пересыщения и в поле центробежных сил, обеспечивающие получение продукта с концентрацией по целевому компоненту 98% в сухом виде (в существующем производстве 90%), снижение содержания водорастворимых солей с 7% до 1% в целевом продукте и в сточных водах с 12% до 4% (Приложение Ж) и получение сульфата натрия в кристаллогидратной форме, используемого в качестве вторичного сырьяразработаны инженерные методики технологического расчёта кристаллизаторов ёмкостного типа и центрифуги-кристаллизатора и переданы для использования в конструкторские отделы ОАО «Пигмент» (Приложение Ж), НИИХимполимер (Приложение Ж), НИХИ (Приложение 5), Волжского завода органического синтеза (Приложение 6) — разработана классификация ПОК по термостойкости, обеспечивающая возможность более точного подбора метода сушки и его аппаратурного оформления, гарантирующего максимальную сохранность целевого компонента при условии энергосбережениядля продуктов пиразолонового ряда и класса арилидов снижение удельных энергозатрат составило 2,5 раза по сравнению с имеющимся оборудованием (Приложение Ж) — для ПОК, производных нафталина (Р-соль, Г-соль, Гамма-кислота, И-кислота, Аш-кислота) снижение удельных энергозатрат составило 1,5-^2 раза (Приложение Ж).

Результаты исследований и инженерные методики расчёта используются в учебном процессе Тамбовского Государственного Технического Университета при подготовке инженеров по направлениям 655 400 — «Энергои ресурсосберегающие процессы в химической технологии, в нефтехимии и биотехнологии», 655 800 — «Пищевая инженерия», 655 000 — «Химическая технология органических веществ и топлива», Тамбовского Государственного Университета им. Г. Р. Державина (Приложение Ж), Ивановского Государственного Химико-Технологического Университета (Приложение Ж), Волгоградского Государственного Технического Университета (Приложение Ж), Волжского Политехнического Института (Приложение Ж).

Правовая защищённость разработок обеспечивается 11-ю авторскими свидетельствами и патентами РФ на изобретение.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на 3 Всероссийской конференции «Механика сыпучих материалов» (г. Одесса, 1975 г.) — Всесоюзном совещании «Термия-75» (секция высокотемпературных процессов в псевдоожиженном слое и печей КС) (г. Ленинград, 1975 г.) — 1 Всесоюзной научной конференции «Современные машины и аппараты химических производств» (г. Чимкент, 1977 г.) — республиканской научной конференции (г. Тамбов, 1981 г.) — Всесоюзной научной конференции «Процессы и оборудование для гранулирования продуктов микробиологического синтеза» (г. Тамбов, 1984) — 1-ой научной конференции ТГТУ (г. Тамбов, 1994 г.) — 4-ой Всероссийской конференции «Динамика процессов и аппаратов химической технологии» (г. Ярославль, 1994 г.) — 2-ой региональной научно-технической конференции «Проблемы химии и химической технологии» (г. Тамбов, 1994 г.) — 3-ей традиционной научно — технической конференции стран СНГ «Процессы и оборудование экологических производств» (г. Волгоград, 1995 г.) — 2-ой международной теплофи-зической школы «МТФШ-2» (г. Тамбов, 1995 г.) — 3-ей региональной научно-технической конференции «Проблемы химии и химической технологии» (г. Воронеж, 1995 г.) — 2-ой научной конференции ТГТУ (г. Тамбов, 1995 г.) — республиканской научно-технической конференции (г. Минск, 1995 г.) — 5-ой региональной научно — технической конференции «Проблемы химии и химической технологии центрально — черноземного региона Российской Федерации» (г. Липецк, 1997 г.) — международной научно-технической конференции «Прогрессивные технологии и оборудование для пищевой промышленности» (г. Воронеж, 1997 г.) — международной конференции «Пищевая промышленность — 2000» (г. Казань, 1998 г.) — международной конференции «Теория и практика фильтрования» (г. Иваново, 1998 г.) — 12-ой международной конференции молодых ученых по химии и химической технологии «МКХТ-98» (г. Москва, 1998 г.) — международной научно-технической конференции «Автоматический контроль и автоматизация производственных процессов» (г. Минск, 1998 г.) — 3-ей международной теплофизической школе «Новое в теплофизических свойствах» (г. Тамбов, 1998 г.) — научно-технической конференции «Экология — 98» (г. Тамбов, 1998 г.) — 6-ой региональной научно-технической конференции «Проблемы химии и химической технологии» (г. Воронеж, 1998 г.) — VII региональной научно-технической конференции «Проблемы химии и химической технологии» (г. Тамбов, 1999 г.) — International Exhibition — Congress on Chemical Engineering, Environmental Protection and Biotechnology «АСНЕМА 2000» (Frankfurt am Main, Germany, 2000) — VI научной конференции ТГТУ (г. Тамбов, 2001 г.) — международной научно-практической конференции «Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и термовлажностная обработка материалов)» (секция 3: Технология сушки, расчет и проектирование сушильных установок) (г. Москва, 2002 г.) — VII научной конференции ТГТУ (г. Тамбов, 2002 г.) — X Российской конференции по теплофизическим свойствам веществ (г. Казань, 2002 г.) — 13-th International Drying Symposium «Drying-2002» (Beijing, China, 2002) — VIII научной конференции ТГТУ (г. Тамбов, 2003 г.) — международной научно-технической конференции «Автоматический контроль и автоматизации производственных процессов» (г. Минск, 2003 г.) — the Twelfth International Symposium «ECOLOGY-2003» (Bourgas, Bulgaria, 2003) — XI российской конференции по теплофизическим свойствам веществ (г. Санкт-Петербург, 2005 г.) — VII международной научной конференции «Теоретические и экспериментальные основы создания новых высокоэффективных процессов и оборудования» (г. Иваново, 2005 г.) — второй международной научно-практической конференции «Совеременные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и тепловые процессы)» СЭТТ-2005 (г. Москва, 2005 г.) — межвузовском сборнике научных трудов «Гидродинамика, тепло-и массообмен в зернистых средах» (г. Иваново, 1983 г.) — сборнике научных трудов, вып. 7 (г. Воронеж, 1997 г.) — трудах ТГТУ, вып. 1,2,3,6,11,13 (г. Тамбов, 1997;2003 гг.) — сборнике научных трудов «Процессы в дисперсных средах: межвузовский» (г. Иваново, 2002 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано свыше 80 статей, докладов, авторских свидетельств и патентов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 7 глав, заключения, списка использованной литературы и приложения отдельным томом. Диссертация изложена на 387 страницах и содержит 61 рисунок.

Список литературы

включает 323 наименования.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ.

Теоретическое обобщение выполненных исследований позволило разработать научные основы по кинетике, технологии и комплексному аппаратурно-технологическому совершенствованию заключительных стадий производства полупродуктов органических красителей.

Решение проблемы основано на следующих результатах теоретических и экспериментальных исследований.

1 Впервые в производстве ПОК предложена, научно обоснована и реализована новая концепция организации заключительных стадий производства, состоящая в комплексном усовершенствовании процессов выделения, фильтрования, удаления примесей, сушки, целенаправленном использовании кинетических зависимостей этих процессов и переходе к энергосберегающей технологии, обеспечивающей высокое качество продукта.

2 Выполнен анализ современного состояния теории и техники процессов выделения, фильтрования, удаления примесей, сушки для основных ПОК. проанализированы их общие и отличительные черты на основе химической структуры материалов, отмечены тенденции и определены задачи технологического и аппаратурного совершенствования заключительных стадий ПОК.

3 Выполнен комплекс экспериментально-аналитических работ по исследованию процессов выделения целевого продукта, разделения суспензий, удалению примесей и термической обработки (сушки) для производных пиразоло-на, нафталина, бензола, стильбена, антрахинона и класса арилидов, а также сопоставительный анализ ранее проведенных исследований. Анализ показал, что повышение эффективности возможно только при указанном комплексном подходе, позволяющем учитывать взаимовлияние качественных показателей прохождения каждой из составляющей заключительных операций друг на друга и на показатели энергоресурсопотребления производства в целом.

4 Впервые разработана классификация процессов выделения ПОК, состоящая из пяти классов. Классификационные особенности определяют диапазон технологических параметров, позволяющих получить суспензию ПОК с заранее заданными характеристиками по целевому компоненту и примесям.

5 На основании анализа факторов влияющих на процесс фильтрования (наличие в молекуле целевого вещества гидрофильных гидрофобных заместителей, ионного и электролитического состава жидкой фазы, среднего эквивалентного размера частицы) с учетом полученных данных (коэффициента сжимаемости слоя осадка и кинетических характеристик процесса фильтрования суспензий) была предложена классификация суспензий ПОК, состоящих из 5 групп, для каждой из которых найдены эмпирические коэффициенты зависимостей для определения времени процесса и концентрации твердой фазы в пасте.

6 Впервые предложена изогидрическая кристаллизация, как способ удаления водорастворимых примесей из многокомпонентных растворов суспензий ПОК. Оценено влияние органических и неорганических компонентов, скорости охлаждения и гидродинамического режима на кинетику процесса и получены эмпирические зависимости для расчета величины равновесной растворимости сульфата натрия.

7 Впервые дано теоретическое и экспериментальное обоснование возможности совмещения процессов осаждения целевого продукта — кристаллизации водорастворимых примесей — осаждения кристаллогидратов солей в одном технологическом аппарате, разработан совмещенный процесс удаления водорастворимых примесей из суспензий ПОК методом кристаллизации в поле центробежных сил, предложена методология исследования массообменного процесса в роторе осадительной центрифуги.

8 Разработана качественная классификация и определены уровни термической стойкости рассматриваемых групп ПОК в процессах сушки на основе анализа химической структуры рассматриваемых веществ, по результатам анализа данных, полученных при дериватографических исследованиях термической устойчивости ПОК, с учетом особенностей протекания процессов теплои массообмена, выявленные при изучении кинетических характеристик процесса сушки ПОК.

9 В связи с практической значимостью предложена методика и осуществлена количественная классификация ПОК по их термической устойчивости и разработаны практические рекомендации по выбору способа сушки и его аппаратурного оформления для конкретного продукта с учетом его термочувствительности.

10 Предложены инженерные методики расчета процессов удаления водорастворимых примесей из многокомпонентных растворов ПОК методом изо-гидрической кристаллизации и кристаллизации в поле центробежных сил, а также процесса сушки в аппаратах с активными гидродинамическими режимами (на инертном носителе, в виброкипящем слое, с СВЧ подводом энергии).

11 Выданы практические рекомендации по совершенствованию и выполнены работы по реализации рассмотренных процессов заключительных стадий производства ПОК и их аппаратурного оформления, в том числе: 1) научные результаты исследований реализованы в виде публикаций в печати и доложены на основных международных конференциях по тепломассопереносу, и используются в учебном процессе в курсах ПАХТ, МАХП, Превращение сырья и аппаратурное оформление, Теория химико-технологических процессов органического синтеза, Химия и технология органических веществ, Основы проектирования и оборудование предприятий органического синтеза, Технология органических полупродуктов, Оборудование производств органических продуктов, Разделение и очистка продуктов промышленного органического синтеза- 2) техническое решение по изменению технологии производства Гамма-кислоты с введением дополнительной стадии изогидрической кристаллизации, позволившее увеличить концентрацию целевого продукта (Гамма-кислоты) с 90% до 98% в сухом видеуменьшить себестоимость на 3,7% и обеспечить получение сульфата натрия в кристаллогидратной форме, который может быть использован в существующих производствах Тамбовского ОАО «Пигмент" — 3) переданы для использования рекомендации по изменению технологии производства ПОК с использованием на стадии удаления примесей совмещенного процесса (осаждение целевого продукта-кристаллизация-осаждение кристаллогидратов соли) в оса-дительной центрифуге ОГН-1200 ОАО «Пигмент», г. Тамбов- 4) реализованы методы сушки с высокоинтенсивными гидродинамическими режимами для материалов с глинообразной структурой (Р-соль, Гамма-кислота, И-кислота) на поверхности инертных тел (СИН-6) — для сыпучих материалов пиразолонового ряда и класса арилидов в виброкипящем слоедля тонкодисперсных продуктов пиразолонового ряда — микроволновая сушка в плотном предварительно нагретом слоесушка тонкодисперсных продуктов в распылительных сушилках с химическим пороборазованием на ОАО «Пигмент», г. Тамбов.