Математическая модель технологических процессов, сопровождаю- щихся локальными выбросами Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

ЛИТЕРАТУРА

1. Дедерер Ю.М., Крылова Н.П. Желчнокаменная болезнь. М.: Медицина. 1983. 273 с.

2. Иванченкова Р.А., Свиридов А.В. Современный взгляд на патогенез желчнокаменной болезни // Клиническая медицина.1999. № 5. С. 8-11.

3. Кораго А.А. Введение в биоминералогию. С.-Пб.: Недра. 1992. 280 с.

4. Мирошниченко В.П. и др. // Лаб. дело. 1978. № 3. С. 149-153.

5. Рубенс Ю.П., Юрика Э.В., Селезнев Ю.В. // Кли-

ническая медицина. 1992. № 7-8. С. 39-41.

6. Carey M.C. Pathogenesis of gallstones // Amer. J. Surg. 1993. 4. Р. 410 - 419.

7. Flynn G.L. et al. // J. Pharm. Sci. 1979. Vol. 68. 9. Р. 1090 -1096.

8. Thistle G.L., Garlson G.L. // Gastroenterology. 1980. Vol. 78. Р. 1016 - 1022.

9. Шелектина И.И. // Журн. АМН Украши. 1996. Т. 2. № 4. С. 631-634.

10. Юликов С.А., Шапиро С.З. // Здравоохранение. 1973. Вып. 2. С. 53-56.

Кафедра неорганической химии

УДК 66.074.61

Д.Ф. ЗИАТДИНОВА, Р. Г. САФИН, В.Н. БАШКИРОВ, Н.И. ГОРБАЧЕВСКИЙ

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ, СОПРОВОЖДАЮЩИХСЯ ЛОКАЛЬНЫМИ ВЫБРОСАМИ

(Казанский государственный технический университет)

Представлены обобщенная схема и математическая модель технологических процессов, сопровождающихся выделением паров и газов и снабженных одним из традиционных способов очистки.

Многие технологические процессы сопровождаются выбросами газообразных токсичных веществ (конденсирующихся и не конденсирующихся) из реакторов или другого технологического оборудования, поэтому они снабжаются газосборниками (зонтами), подключенными к газоочистным системам (скрубберам, конденсаторам, адсорберам, абсорберам). Приме -рами таких процессов являются безреактивное расщепление жиров, извлечение жирных кислот из соапстока, сжигание твердых отходов, зарядка аккумуляторов, получение стекловолокнита и другие. Материальные потоки газообразных веществ в этих процессах могут быть представлены в виде схемы, изображенной на рисунке.

Излучатель газообразных веществ 1 находится в реакторе 2, над которым размещен зонт 5,

Рис. Схема технологических процессов, сопровождающихся выбросами.

присоединенный через систему газоочистки 6 и 7 к устройству для создания разряжения над реактором 8 (вентилятор, газодувка, вакуумный насос). При невозможности идеальной герметизации тех-

нологического оборудования рабочее помещение 3, сообщается с окружающей средой 10 с помощью приточно-вытяжной вентиляции 9.

В связи с разрежением можно принять допущение об идеальном смешении газовых потоков под зонтом. В этом случае материальный баланс газовых потоков, представленных на схеме можно описать следующим уравнением: ((п + .¡г )№+ 0 пр Р в ¿Х- 0 сп Р п ¿Х-

- 0 сг Р г - 1 д Л^Т /4 - 0 и Р см = УСв ¿Р см

Первый член левой части уравнения характеризует массу выделяющихся токсичных паров и газов с поверхности излучателя Б за время ¿т и определяется индивидуально для каждого конкретного случая; второй - определяет массу воздуха, поступающего из неплотностей аппарата (зависит от степени негерметичности); третий - массу пара отводимого системой откачки паров, определяется производительностью конденсатора, скруббера или адсорбера; четвертый - массу газа, отводимого системой откачки газов, определяется производительностью абсорбера или адсорбера; пятый - массу смеси паров и газов, выделяющихся из аппарата через неплотности за счет диффузионных процессов, определяется из уравнения Фи-ка; шестой - массу паров и газов, отводимых из аппарата устройством, поддерживающим разряжение в аппарате (вентилятор, газодувка, вакуум-насос).

Правая часть уравнения характеризует изменение массы газообразных веществ под зонтом.

Интенсивность испарения 1п и газообразования 1г определяются индивидуально, в зависимости от характера излучателя, вида технологического процесса и режимов его организации. Например, получение целлюлозы варкой древесной щепы [1] или безреактивное расщепление жиров [2] проводится при высоких температурах и давлениях. При последующем переходе массы в отстойник происходит, за счет сброса давления, объемное вскипание и испарение жидкостей, участвовавших в реакции.

Интенсивность испарения в этих случаях будет определяться соотношением:

Омсм (Тн - Тк )

}

г • Б

(2)

ляется совместным решением дифференциальных уравнений тепломассопереноса в твердой фазе и уравнениями переноса в паровой фазе, стыкующихся, обычно, граничными условиями 3 рода:

- Б

ас,

¿х

в (Рф, -Р1 )

(3)

Расчетная формула для определения объемного расхода приточного воздуха Опр зависит от глубины разряжения [3]

Р0

при — >

< р 1

р,

О пр =Ц

V р,У

используется выражение:

кр

2к

Ро

а при —<

Р

к -1

( Р 1

РвР,

(Ъ \

2/к

V Р1 У

к+1

(Р

го

V Р1 У

, (4)

V р1 У

используется следующая рас-

четная формула:

О пр =Ц

гаГ

2к 1 к-1 2к

-РвР, .

(5)

4 Vк-1У Ук +1 При технологической невозможности полной герметизации оборудования, когда давление внутри зонта Р] приближается к давлению Р0 в узком сечении т.е. атмосферному, приток воздуха определяется производительностью устройства, поддерживающего разряжение над реактором (вентилятора или газодувки)

Опр = Овт (6)

При выборе производительности вентилятора необходимо исключить выброс токсичных веществ в рабочее помещение за счет их диффузии через неплотности. Неплотности можно охарактеризовать как условный диаметр негерметичности -м. Поэтому при расчете производительности вентилятора надо придерживаться условия:

¡д ^

0 вт >

4р с

(7)

где Ом- скорость разгрузки массы, кг/с; Б - поверхность испарения в отстойнике, м2; см - теплоемкость массы Дж/(кг-К), г - скрытая теплота парообразования жидкости, Дж/кг.

При массопередаче с твердой фазы интенсивность испарения или газообразования опреде-

Объемная производительность системы удаления пара 0сп и объемная производительность системы удаления газа 0сг зависят от мощности очистного оборудования. Паровые выбросы можно сконденсировать, в этом случае объемная производительность системы удаления пара 0сп будет зависеть от производительности конденсатора. Расчет объемной производительности конденсатора ведется по соотношению[4]:

К • ДТ • 8

О =-ср—

Р п • г

(8)

о

4

кр

п

Если пар представляет многокомпонентную смесь, то плотность паровой смеси рсм можно определить по правилу аддитивности [5], используя уравнение Менделеева-Клайперона [6] Е Р1М1

Рсм

(9)

1пЕ = _

ЯТ

+ С'

(11)

С(0) = -г

(12)

С(0) = т-

(13)

Оп + ¡г )-Р + 0 вт -Р в

Анализ выражения (13) показывает, что для увеличения движущей силы процессов адсорбции и абсорбции необходимо минимизировать производительность устройства поддержи-

вающего разрежения в зонте, то есть теоретически значение производительности устройства создающего разрежение определяется из соотношения:

0 вт =

Я - Т

где р1 - парциальное давление 1 -ого компонента, Па; М1 - молярная масса, кг/моль; Я - универсальная газовая постоянная (Я=8314 Дж/(К-кмоль)).

Расчет поверхности конденсации 8 (м) и коэффициента теплопередачи К (Вт/(м2-К)) проводится по известной методике [7].

Объемная производительность системы удаления газа (0сг) зависит от производительности системы откачки газов (адсорбера или абсорбера).

Движущая сила процессов адсорбции и абсорбции пропорциональна разности концентраций токсичных веществ в аппарате и на массообмен-ной поверхности абсорбента или адсорбента. Концентрация над поверхностью адсорбента зависит от его поглотительной способности и может быть определена из изотерм адсорбции. Концентрация на поверхности абсорбента может быть определена из кривых растворимости газа в абсорбенте или из закона Генри [8]:

У1 = "р х 1 (10)

Константа Генри Е в зависимости от температуры может быть рассчитана с помощью выражения:

-¡д -па2

4Р см

(14)

Фактическое значение величины производительности устройства создающего разряжение необходимо выбирать с учетом эмпирического коэффициента запаса - учитывающего аварийные залповые выбросы токсичных веществ:

0и =£-0вт . (15)

При возможности полной герметизации технологического процесса в качестве устройства создающего разрежение под зонтом целесообразно применять струйный вакуум-насос, в частности водовоздушный эжектор, позволяющий не только создавать достаточное разрежение, но и организовать абсорбцию токсичных паров и газов.

В этом случае производительность устройства, создающего разрежение (эжекционного насоса), можно рассчитать по соотношению [9]

а - я - т

0вт = Ррж _ Р рж (16)

см рж

При организации процесса под вакуумом, в качестве устройства создающего разрежение, целесообразно применять водокольцевые вакуум-насосы, производительность которых можно определить из соотношения [10]

(

0 вт = 0 н

1 --

Рн _ Р

Л

Рн

(17)

где С'- постоянная, зависящая от природы газа и поглотителя.

Начальная концентрация токсичных веществ в аппарате может быть определена из соотношения:

°п + ¡г )-Р -Рсм

+ ¡г )-Р + 0 пр -Р в

На следующих этапах расчета концентрация токсичных веществ в аппарате определяется решением уравнения (1).

При проведении процесса в негерметичных условиях соотношение (12) с учетом (6) можно записать через производительность вентилятора или газодувки

((п + ¡г )-Р -Рсм

Разработанная математическая модель была использована при расчете усовершенствованных технологий: безреактивного расщепления жиров и извлечения жирных кислот из соапстока на ОАО «Нэфис», производства изделий из стекловолокни-та на МПЗ и при проектировании газоочистного оборудования на участке зарядки кислотных и щелочных аккумуляторных батарей на ОАО «Нижне-камскшина» [11-15]. В результате проведенных работ удалось практически ликвидировать выбросы вредных веществ в атмосферу и производственное помещение и, тем самым, улучшить санитарно-гигиенические условия труда работающих.

ОБОЗНАЧЕНИЯ а - массовый расход, кг/с; 0 - объемная производительность, м3/с; Р - плотность, кг/м3; С - концентрация, кг/м3; Усв -свободный объем, м3; Р - общее давление, Па; ц - коэффициент расхода; к - показатель адиабаты; рсм- плотность смеси, кг/м3; j -массовый поток, кг/(м2 с) ; в - коэффициент мас-соотдачи, м/с; Б - коэффициент диффузии, м2/с; т-

к

- время, с; х - концентрация газа в абсорбенте (в мольных долях); у - мольная доля (концентрация) компонента I в газовой смеси, равновесная концентрации газа в абсорбенте х1.

ИНДЕКСЫ

п - пар; д - диффузионный; пр - приток; сп - система откачки пара; сг - система откачки газа; м -материал; см - смесь; в - воздух; вт - вентилятор; и - устройство, создающее напряжение; н - начальный; к - конечный; ф - поверхность раздела фаз; ср - средний; рж - рабочая жидкость.

ЛИТЕРАТУРА

1. Кавернинский И.Н. Основы технологии химической переработки древесины. М.: Лесная промышленность. 1984. С. 184.

2. Тютюнников Б.Н. и др. Технология переработки жиров. М.: Пищевая пром-сть. 1970. С. 553.

3. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. М.: Машиностроение. 1975. 559 с.

4. Сафин Р.Г., Башкиров В.Н., Сунгатуллина Г.И. Химическая промышленность. 2001. Вып. 7. С. 30-31.

5. Павлов К.Ф., Романов П.Г., Носков А. А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Л.: Химия. 1987. 576 с.

6. Коган В.Б., Фридман В.М., Кафаров В.В. Равновесие между жидкостью и паром. М.-Л.:Наука. 1966. 1426 с.

7. Маньковский О.Н., Толчинский Л.Р., Александров М.В. Теплообменная аппаратура химических производств. Л.:Химия. 1976. 368 с. Касаткин А.Т.

Основные процессы и аппараты химической техно-ло-гии. М.: Химия. 1971. 784 с.

8. Соколов Е.Я., Зингер Н.М. Струйные аппара-ты.М.: Энергия. 1970. 288 с.

9. Розинов Л.Н. Вакуумная техника. М.: Высш. школа. 1990. 320 с. Патент РФ № 2175001. МКИ В13 С 11. Установка безреактивного расщепления жиров. Сафин Р.Г., Башкиров В.Н., Зиатдинова Д.Ф. и др. Опубл. 20.10.2001г. Бюл. №29. 8 с.

10. Патент РФ № 2171274, МКИ В13/02 С 11. Установка для извлечения кислот из соапстока. Сафин Р.Г., Башкиров В.Н., Зиатдинова Д.Ф. и др. Опубл. 27.07.2001г. Бюл. №21-8 с.

11. Патент РФ № 2184909, МКИ Б23 в 7/06. Установка для сжигания газовых" выбросов. Сафин Р.Г., Башкиров В.Н., Зиатдинова Д.Ф. и др. Опубл. 10.07.2002г. Бюл. №19. 10 с.

12. Патент РФ № 2161349, МКИ Н 01 М 2/012 Б 24 Б 7/08. Вытяжное устройство для аккумуляторов. Сафин Р.Г.,Башкиров В.Н., Тимербаева Д.Ф. и др. Опубл. 27.12.2000 г. Бюл. №36-8 с.

13. Патент РФ № 2185961. Установка для получения наполненных пластиков, преимущественно стекло-волокнита. Сафин Р.Г., Башкиров В.Н., Зиат-динова-Д.Ф. и др. Опубл. 28.03.2001г. Бюл. №21 - 10 с.

14. Патент РФ № 2161349, МКИ Н 01 М 2/012 Б 24 Б 7/08. Вытяжное устройство для аккумуляторов. Сафин Р.Г.,Башкиров В.Н., Тимербаева Д.Ф. и др. Опубл. 27.12.2000г. Бюл. №36 - 8 с.

15. Патент РФ № 2185961. Установка для получения наполненных пластиков, преимущественно стекло-волокнита. Сафин Р.Г., Башкиров В.Н., Зиатдинова Д.Ф. и др. Опубл. 28.03.2001г. Бюл. №21 - 10 с.

Кафедра переработки древесных материалов

УДК 66.015.23:66.095.253.094.32

П.В. КУЛИКОВ, А.Н. ЛАБУТИН

АНАЛИЗ ПРОЦЕССА АБСОРБЦИИ ОКСИДА ЭТИЛЕНА СПИРТАМИ В РАСПЫЛИТЕЛЬНОЙ КОЛОННЕ

(Ивановский государственный химико-технологический университет) ([email protected], [email protected])

Предложена математическая модель процесса абсорбции в полом распыливаю-щем абсорбере и алгоритм расчета аппарата при полидисперсном распыливании жидкости. Исследовано влияние характеристик распыла и состава диспергируемой жидкости на эффективность абсорбции.

Процессы оксиэтилирования спиртов, фе- стно-активных веществ, охлаждающих и тормоз-нолов, гликолей лежат в основе производства мно- ных жидкостей [1, 2]. В промышленности окси-гих промышленно-важных продуктов: поверхно- этилирование осуществляют в полупериодических