Материал: основы проектирования хим произв дворецкий

296 Глава 8. ПРОЕКТИРОВАНИЕ МНОГОАССОРТИМЕНТНЫХ ХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ

пергирование порошкообразного наполнителя 2 в суспензии присадки 2. Суспензия присадки 2 и наполнителя 2 готовится по следующей схеме:

Суспензия присадки 2 в масле → М-36 → D6 → Т-33 → D6 → Ф-38 → D6 →

→ Н-32/2 → D6 → С-35 → D6 → М-36 → D6 → Н-32/3 → D6 → С-37.

Из статического смесителя С-37 смазка через модуль D6 подается в скребковый теплообменник ТС-34, а затем через модуль D6 в центр D.

В зависимости от требований технологического регламента модуль D6 реализует следующие варианты подключения оборудования блока VI (см. табл. 8.1). Изменение условий работы блока VI позволяет регулировать процессы диспергирования порошкообразных наполнителей 2 в суспензии присадки 2 и в смазке.

Гомогенизация смазки

В зависимости от требований регламента реализуемого технологического процесса гомогенизация смазки может производиться как в коллоидной мельнице Г-39, так и в клапанном гомогенизаторе Г-40. Подключение гомогенизаторов к общей схеме процесса осуществляется центральным коммутирующим устройством D.

Благодаря наличию системы стыковочных модулей D1…D6 и коммутационного центра (диспетчера) D возможны организация и управление несколькими технологическими установками, функционирующими одновременно в составе ГАПС производства смазочных материалов.

А. Непрерывное производство пластичной смазки (КТ26-Х1-Н1) при температуре 200…210 °С. Схема подключения блоков и оборудования:

Блок I → D → Блок III → D → Г-39.

Б. Непрерывное производство безводной кальциевой смазки (КИ1А-Х1):

Блок I → D → Блок II → D → Блок VI → D → Г-40.

В. Периодическое производство пластичной смазки при температуре 200…220 °С в технологическом блоке V. Сырьевые компоненты загружаются в емкость-реактор М-29. Наполнитель 1 подается в смазку через инжекторный смеситель С-28. Готовая смазка из реактора Р-29 через модуль D5 дозирующим насосом Н-25 подается в скребковый холодильник ХС-30 и далее через модуль D5 и центр D в гомогенизатор Г-40.

ГАПС пластичных смазок позволяет существенно повысить эффективность технологических процессов получения смазок и других смазочных материалов, расширить ассортимент выпускаемых продуктов, осуществить регулирование процессов как в технологических блоках, так и во всей системе в целом за счет изменения последовательности включения аппаратов и технологических блоков в соответствии с изменениями требований технологического регламента производства.

ГАПС органических полупродуктов и красителей

Азокрасители (азопигменты) обладают чистотой и яркостью цветового тона, высокой укрывистостью и красящей способностью, устойчивостью к растворителям и вследствие этого играют важную роль в эстетическом оформлении текстильных материалов, меха, кожи, полиграфической продукции, лакокрасочных материалов и т.д. Их качество определяется химической природой, степенью чистоты, кристаллической структурой и дисперсным составом пигментов, формируемыми, главным образом, в процессе синтеза. Действующая периодическая технология синтеза азопигментов характерна нестационарностью режимов, низким выходом и нестабильностью качества производимых пигментов. Принципиально проблемы повышения и стабилизации качества пигментов можно решить путем разработки аппаратурно-технологического оформления непрерывной технологии получения азопигментов.

Азопигменты получают при последовательном проведении реакций диазотирования и азосочетания – нелинейных процессов тонкого органического синтеза. Обзор литературных данных и анализ результатов проведенных нами экспериментальных исследований позволил установить перечень наиболее вероятных реакций, протекающих при синтезе азопигментов [44 – 47]:

– растворение твердой фазы амина в среде соляной кислоты:

[ArNH2]s W1 → ArNH2,

W1 = –A · rэa exp{–E1/RT}([ArNH2]* – [ArNH2]);

– образование диазотирующего агента (HNO2):

NaNO + HCl W =∞ HNO + NaCl;

2 → 2

– целевая реакция диазотирования:

ArNH2 + HNO2 + HCl W2 → ArN2Cl + 2H2O + h↑ (20…30 ккал/моль),

W2 = k02 exp{–E2/RT} [ArNH2] [HNO2] [HCl]0,87;

– разложение азотистой кислоты:

W

3HNO2 3 → 2NO + HNO3 + H2O, W3 = k03 exp{–E3/RT} [HNO2] 4/PNO;

– образование диазосмол при диазотировании: ArN2Cl + HNO2 W4 → χ1 ,

W4 = k04 exp{–E4/RT} [ArN2Cl] [HNO2],

W χ ,

ArN2Cl 5 → 2

W5 = k05 exp{–E5/RT}[ArN2Cl];

298 Глава 8. ПРОЕКТИРОВАНИЕ МНОГОАССОРТИМЕНТНЫХ ХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ

– образование диазоаминосоединений:

где ArNH2 – ароматический амин; ArN2Cl – диазосоединение; (RO – Y) – азососоставляющая; ArN2RО – азопигмент; [X] – концентрация вещества X; χ1, χ2, χ – диазосмолы; A, α, k0i, Ei, K5, N5 – кинетические константы процессов растворения твердой фазы амина и химического процесса диазотирования; R = 8,31 Дж/(моль·К) – универсальная постоянная; PNO – парциальное давление нитро-

зных газов; k70 , kw, kb, ka, kp – кинетические коэффициенты процесса азосочетания

и константы кислотно-основного равновесия; [H+] – концентрация ионов водорода в реакционной смеси.

Поскольку целевая реакция азосочетания протекает между катионом диазония и анионом азосоставляющей, то для расчета концентраций ионизированных форм необходимо учитывать кислотно-основные равновесия между различными

формами диазосоединения, азосоставляющей, а также между частицами CO3−2 ,

HCO3−, H2CO3, образующимися при добавлении в реакционную среду раствора

соды Na2CO3. Содовый раствор используют в технологии для поддержания оптимального профиля pH-среды сочетания.

В результате проведенных экспериментальных исследований [44] установлено, что скорость образования кристаллов азопигментов удовлетворительно описывается выражением

I = kI ([ArN2RO]−[ArN2RO] )NI ,

где [ArN2RO] и [ArN2RO]* – соответственно текущая и равновесная концентрации пигмента в растворе.

В качестве наиболее правдоподобной гипотезы о кинетике роста кристаллов, удовлетворяющей экспериментальным данным, принята гипотеза о диффузионнокинетической области роста кристаллов:

η([ArN2RO]) =1/(η−K1 + η−D1), ηK = kK ([ArN2RO]−[ArN2RO] )NK , ηD = D([ArN2RO]−[ArN2RO] ) /(ρпr) ,

где ηK и ηD – скорости роста кристаллов соответственно в диффузионной и кинетической областях; kI, NI, kK, NK, D – кинетические коэффициенты уравнений образования и роста кристаллов пигмента; ρп – плотность пигмента, коэффициент диффузии D рассчитывается по уравнению Эйнштейна-Смолуховского D = RT/(6πNAμrэ), NA – число Авогадро; μ – динамическая вязкость суспензия пигмента; rэ – эквивалентный радиус кристалла пигмента.

Связь между скоростью кристаллизации и гранулометрическим составом ψ(r) кристаллов азопигментов можно описать зависимостью

W8 = γρп ∞∫r2η(r)ψ(r)dr, Mп 0

где γ – коэффициент формы кристалла; Mп – молекулярная масса пигмента. Экспериментальное исследование процесса разложения диазосоединения на

стадии азосочетания показали, что процесс может развиваться по нескольким механизмам, роль каждого их которых зависит от кислотности среды: скорость разложения максимальна в слабощелочной области, а порядок реакции меняется с первого на второй при переходе от кислой к щелочной области. При описании кинетики разложения использовали уравнение

ArN2Cl W9 →χ, W9 = k9 (pH)[Ar N2Cl]N9 (pH) ,

где аппроксимирующие зависимости для k9(pH) и N9(pH) имеют вид

300 Глава 8. ПРОЕКТИРОВАНИЕ МНОГОАССОРТИМЕНТНЫХ ХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ

Среди проблем, наиболее актуальных для создания энерго- и ресурсосберегающих технологий высокой экологической чистоты, следует выделить разработку принципиально новых подходов к аппаратурно-технологическому оформлению прогрессивных ХТП с использованием методов интегрированного проектирования, математического моделирования, уравнений химической кинетики, теплопередачи, диффузии, конвекции и т.п. В первую очередь это касается жидкофазных процессов с участием твердой фазы, протекающих с весьма высокими скоростями реакций (характерное время химической реакции 10–1…10–3 c), когда в зоне реакции наблюдается неоднородное пространственно-временное распределение температуры, концентрации реагентов и соответственно глубины реакции. Такие процессы в действующих производствах органического синтеза, где обычно используются объемные реакции смешения, плохо управляемы и, как следствие, характеризуются заметным снижением выхода конечного продукта, повышенным содержанием побочных продуктов, а при получении органических пигментов – неблагоприятным изменением гранулометрического состава кристаллов пигмента, что приводит к ухудшению их колористических показателей.

Принципиально новым решением в области аппаратурного оформления быстрых химических процессов является разработка турбулентных трубчатых реакторных установок различных модификаций [48]. Трубчатый реактор с диффузорконфузорными устройствами, позволяющий осуществлять быстрые химические процессы в высокотурбулентных потоках, представлен на рис. 8.14.

Основными элементами турбулентного трубчатого реактора являются вертикально расположенные трубчатые модули 1, соединительные колена 2, форсунки для распыления нитрита натрия 3, диффузор-конфузорные устройства турбулизации потока 4 и теплообменная рубашка 5. Солянокислая суспензия ароматического амина непрерывно подается в реактор одновременно с водным раствором нитрита натрия, подача которого распределена по длине трубчатой части реактора. Подача раствора нитрита натрия в реактор осуществляется через форсунки непосредственно перед диффузор-конфузорными устройствами, распределенными по длине реактора.

Отличительной особенностью турбулентного трубчатого реактора является наличие диффузор-конфузорных устройств турбулизации потока, работоспособность которых определяется условиями обеспечения турбулентности гидродинамического режима течения. Основными параметрами, определяющими эти условия, являются диаметр диффузор-конфузорных камер смешения D, длина диффу- зор-конфузорной камеры lk, угол расширения диффузора αд и сужения конфузора αк, а также концентрация амина в питании реактора. Конструктивными параметрами реактора являются длина реактора L, состоящего из четырехметровых модулей, внутренний диаметр трубы модуля dтр и объем камеры смешения Vсм.

В диффузор-конфузорных устройствах с углом расширения αд > 40 происходит полный отрыв потока от стенок диффузора с образованием интенсивных обратных токов и завихрений. Отрыв потока распространяется дальше на участок