Совершенствование процесса удаления водорастворимых примесей из

На правах рукописи

КОЛМАКОВА Марина Анатольевна

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССА УДАЛЕНИЯ ВОДОРАСТВОРИМЫХ ПРИМЕСЕЙ

ИЗ ПАСТ ОРГАНИЧЕСКИХ ПИГМЕНТОВ ПУТЕМ ЦИКЛИЧЕСКОЙ ПРОМЫВКИ–ПРОДУВКИ ОСАДКА

05.17.08 – Процессы и аппараты химических технологий

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Иваново 2012

Работа выполнена на кафедре «Химические технологии органических веществ» федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Тамбовский государственный технический университет» (ФГБОУ ВПО «ТГТУ»).

Научный руководитель

кандидат технических наук, доцент

Орехов Владимир Святославович

Официальные оппоненты:

Рудобашта Станислав Павлович,

доктор технических наук, профессор,

заведующий кафедрой «Теплотехника и

энергообеспечение предприятий», ФГБОУ ВПО «Московский государственный агроинженерный университет им. В.П. Горячкина»

Кормильцин Геннадий Сергеевич,

кандидат технических наук, профессор,

профессор кафедры «Техносферная безопасность», ФГБОУ ВПО «Тамбовский государственный технический университет»

Ведущая организация

Научно-исследовательский институт химикатов для полимерных материалов

(ОАО «НИИхимполимер»), г. Тамбов

Защита диссертации состоится «25» июня 2012 г. в 1000 часов на заседании диссертационного совета Д 212.063.05 при Ивановском госу-дарственном химико-технологическом университете по адресу: 153000, г. Иваново, пр. Ф. Энгельса, 7, тел.(4932) 32-54-33. Факс: (4932) 32-54-33, E-mail: [email protected]

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ивановского государственного химико-технологического университета по адресу: 153000, г. Иваново, пр. Ф. Энгельса, 10.

Автореферат разослан « ___» ________ 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Г.А. Зуева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Полиграфическая промышленность предъявляет к офсетным краскам все более жесткие требования по таким параметрам, как: блеск, прозрачность, чистота, оттенок, укрывистость, электропроводность, которые в значительной степени определяют качественные характеристики пигментных наполнителей офсетного связующего – азопигментов.

Колористическая концентрация или относительная красящая способность является основным показателем выпускных форм азопигментов и зависит от дисперсного состава их частиц и концентрации водорастворимых примесей, образующихся в результате синтеза, – реакций диазотирования и азосочетания.

В качестве водорастворимых примесей выступают хлориды, сульфаты и ацетаты натрия, которые в реакционной массе находятся в виде электролитов.

Присутствие даже незначительного количества этих примесей в органических пигментах ухудшает их показатели качества (колористическую концентрацию, электропроводимость, диспергируемость). Поэтому разработка эффективного способа, обеспечивающего удаление водорастворимых примесей из паст пигментов на фильтровальной перегородке, представляет теоретический интерес и имеет большое практическое значение.

Разработанные технологические режимы процесса удаления водорастворимых примесей из паст азопигментов на фильтровальной перегородке при цикличном режиме подачи промывной жидкости позволяют решить задачу обеспечения требуемых показателей качества пигментов при снижении расхода промывной жидкости и длительности процесса.

Работа выполнялась в рамках НТП «Научные исследования высшей школы в области химических технологий» (2003–2004 гг.); АВЦП «Развитие научного потенциала высшей школы» (2005 – 2009 гг.); ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса России на 2007 – 2012 гг.» (государственный контракт № 02.513.11.3377 от 26 ноября 2007 г.); ФЦП «Научные, научно-педагогические кадры инновационной России» (2010–2011 гг.) и в рамках программы «У.М.Н.И.К.» проект № 10155 от 01.02. 2010 г. НИОКР по теме № 1.

Целью работы является разработка технологических режимов процесса удаления водорастворимых примесей из паст азопигментов на фильтровальной перегородке при цикличном режиме подачи промывной жидкости, позволяющих получить продукт с высокими показателями качества на основе результатов экспериментальных исследований: влияния природы промывной жидкости и скорости ее подачи на кинетику процесса удаления водорастворимых примесей; влияния давления фильтрования на влажность формируемой пасты, форму и размер пор на примере Пигмента оранжевого Ж; кинетических характеристик процесса удаления водорастворимых примесей при непрерывном и цикличном методе подачи промывной жидкости; а также создания физической модели процесса удаления водорастворимых примесей из пасты азопигмента в промывную жидкость и разработки математического описания процесса удаления водорастворимых примесей из паст пигментов, позволяющего определить концентрации водорастворимых примесей в пасте и промывной жидкости в поре при неподвижном и движущемся потоке промывной жидкости.

Для достижения поставленной цели сформулированы и решены следующие задачи:

определены природа и концентрации примесей в суспензии азопигмента;

разработана методика определения концентрации растворимых и нерастворимых органических и неорганических примесей в суспензии и пасте азопигментов;

определены значения влажности осадка и его сопротивления в зависимости от давления фильтрации;

определено влияние начальной концентрации водорастворимых примесей в промывной жидкости на кинетику процесса их удаления из паст азопигментов;

оценено влияние расхода промывной жидкости на скорость удаления водорастворимых примесей;

исследован процесс переноса водорастворимых примесей из жидкой фазы осадка в промывную жидкость;

определены технологические параметры процесса цикличной промывки паст азопигментов на фильтровальной перегородке;

предложена физическая модель процесса удаления водорастворимых примесей из паст органических пигментов на фильтровальной перегородке при непрерывном и цикличном режимах подачи промывной жидкости;

разработано математическое описание процесса удаления водорастворимых примесей из паст органических пигментов на фильтровальной перегородке при непрерывном и цикличном режимах подачи промывной жидкости;

создана инженерная методика расчета процесса удаления водорастворимых примесей цикличной промывкой паст азопигментов на фильтровальной перегородке, позволяющая определить количество циклов промывки, концентрацию водорастворимых примесей в пасте в конце процесса промывки;

осуществлена идентификация разработанного математического описания и оценка ее адекватности реальному процессу на лабораторной и промышленных установках.

Научная новизна работы заключается в том, что:

предложен способ удаления водорастворимых примесей из паст пигментов на фильтровальной перегородке с цикличным режимом подачи промывной жидкости;

определены размеры пор осадка и концентрация водорастворимых примесей в их объеме в зависимости от давления фильтрации в диапазоне 0,2…1,0 МПа;

предложена физическая модель процесса удаления водорастворимых примесей из паст органических пигментов на фильтровальной перегородке;

определены зависимости изменения концентрации водорастворимых примесей в осадке от скорости подачи промывной жидкости и времени ее пребывания в порах;

разработано математическое описание процесса удаления водорастворимых примесей из паст азопигментов на фильтровальной перегородке при непрерывном и цикличном режимах подачи промывной жидкости.

Практическая ценность результатов работы:

разработана методика определения концентрации растворимых (ионоселективный метод) и нерастворимых (избирательная экстракция, с последующей термогравиометрией) органических и неорганических примесей в суспензии и пасте азопигментов;

предложена методика определения кинетических характеристик процесса удаления водорастворимых примесей из паст азопигментов на фильтровальной перегородке с использованием кондуктометрической ячейки;

разработана методика исследования кинетики процесса переноса водорастворимых примесей в пасте азопигментов и в сквозных порах;

получена эмпирическая зависимость концентрации водорастворимых примесей в пасте пигмента от объема промывной жидкости и цикличности режима;

определены технологические параметры процесса удаления водорастворимых примесей из паст пигментов на фильтровальной перегородке в цикличном режиме подачи промывной жидкости, практическая реализация которых позволила сократить время процесса в 2,2 раза и количество промывной жидкости в 3,4 раза;

разработана инженерная методика расчета процесса удаления водорастворимых примесей цикличной промывкой пасты азопигментов на фильтровальной перегородке, позволяющая определить количество циклов промывки и концентрацию водорастворимых примесей в пасте;

осуществлена идентификация разработанного математического описания и проверена ее адекватность реальному процессу на лабораторной и промышленной установках – расхождение между значениями, полученными расчетным и экспериментальным путем на промышленной установке, составило 6%;

выданы практические рекомендации по организации процесса удаления водорастворимых примесей промывкой осадков на фильтр-прессах с использованием цикличного режима подачи промывной жидкости в производстве Пигмента оранжевого Ж на ОАО «Пигмент» (Тамбов), экономический эффект от внедрения предложенных технических решений составил 1 837 000 р./год.

Апробация работы. Основные результаты и положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: международных научно-практических конференциях «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (Санкт-Петербург, 2006 – 2008 гг.), «Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и термовлажностойкая обработка материалов)» (Москва–Тамбов, 2008 г.), «Инновационная экономика и промышленная политика региона (ЭКОПРОМ–2009)» (Санкт-Петербург, 2009 г.), международных научных конференциях «Математические методы в технике и технологии» (Саратов, 2008 г.; Псков, 2009 г.), Международной научно-технической конференции «Инновационные исследования в сфере критических технологий» (Белгород, 2007 г.); Всероссийской (с международным участием) заочной научно-практической конференции «Актуальные проблемы естественных наук» (Тамбов, 2009 г.).

Материалы по теме диссертации были отмечены дипломом международной научно-технической конференции «Инновационные исследования в сфере критических технологий» (Белгород, 2007 г.).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 13 печатных работ, в том числе 3 статьи в журналах, предусмотренных перечнем ВАК.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения, списка используемых источников и приложений. Диссертация содержит 159 страниц машинописного текста, в том числе 30 рисунков и 3 таблицы, список использованных источников включает 158 наименований отечественных и зарубежных авторов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследований. Обозначены научная новизна и практическая ценность результатов работы.

В первой главе рассмотрены вопросы влияния примесей различной природы на характеристики качества азопигментов (прозрачность, интенсивность, оттенок, чистота, блеск, колористическая концентрация, укрывистость), пути формирования примесей в суспензии азопигментов; приведены данные физико-химических свойств примесей, образуемых в процессе производства азопигментов (на примере Пигмента оранжевого Ж); представлены данные о физико-химических свойствах осадков азопигментов, анализ существующих способов удаления водорастворимых примесей из паст азопигментов и методики количественного анализа основных примесей; рассмотрен математический аппарат, используемый для описания процессов удаления водорастворимых примесей из паст, а также диффузии и массопереноса на границе раздела фаз; представлен анализ аппаратурного оформления процесса удаления водорастворимых примесей из плотных осадков; сделаны выводы и сформулированы задачи теоретических и экспериментальных исследований.

Вторая глава посвящена разработке математического описания процесса удаления водорастворимых примесей из осадков пигментов на фильтровальной перегородке на основе предложенной физической модели процесса:

при фильтровании на фильтровальной перегородке формируется осадок, состоящий из пасты и сквозных пор;

паста представляет собой структуру, состоящую из твердых частиц пигмента и раствора водорастворимых примесей;

при промывке осадка поры заполняются промывной жидкостью (рис. 1);

границу раздела зон диффузии в объеме пасты представляем как окружность с радиусом Rм (рис. 1);

при решении уравнений диффузии водорастворимых примесей принимаем среднестатистический радиус поры Rп и радиус идеализированной зоны диффузии водорастворимых солей в пасте Rм (рис. 1);

радиус EMBED Microsoft Equation 3.0 , где Rп – радиус поры, отнесенный к функции распределения пор по объему пасты;

перенос водорастворимых примесей из пасты в промывную жидкость пор осуществляется диффузией;

объем пасты делится на зоны диффузии: каждой зоне соответствует пора и определенный участок пасты, из раствора которой водорастворимые соли переносятся к поверхности поры (рис. 1).

Процесс переноса водорастворимых примесей в осадке при отключении подачи промывной жидкости описывается уравнением молекулярной диффузии.

Уравнение, описывающее процесс переноса примесей для промывной жидкости в цилиндрических координатах, имеет следующий вид:

EMBED Microsoft Equation 3.0 , (1)

где координата по радиусу r изменяется от 0 до Rп , координата по длине поры y изменяется от 0 до l.

Для пасты:

EMBED Microsoft Equation 3.0 , (2)

где координата по радиусу r изменяется от Rп до Rм , координата по длине поры y изменяется от 0 до l.

Концентрация водорастворимых примесей по длине поры (толщина осадка) изменяется незначительно как в пасте, так и в промывной жидкости поры, следовательно:

EMBED Microsoft Equation 3.0 , EMBED Microsoft Equation 3.0 . (3)

Начальными условиями для уравнений (1), (2) являются концентрации примесей в пасте и в промывной жидкости в момент прекращения ее подачи:

EMBED Microsoft Equation 3.0 , EMBED Microsoft Equation 3.0 . (4)

Граничные условия для системы зона диффузии–пора определяются из условий равенства нулю потока водорастворимых примесей при r = 0, и равенства нулю потока водорастворимых примесей через границу идеализированной зоны диффузии в пасте:

EMBED Microsoft Equation 3.0 , EMBED Microsoft Equation 3.0 . (5)

Граничные условия на границе пора–зона диффузии определяются из условия неразрывности потока:

EMBED Microsoft Equation 3.0 , EMBED Microsoft Equation 3.0 . (6)

Решая уравнения (1), (2) с учетом допущения (3) с начальными (4) и граничными (5), (6) условиями методом интегральных преобразований в конечных пределах, получим зависимость для определения концентрации водорастворимых примесей в пасте зоны диффузии:

EMBED Equation.3 , (7)

зависимость для определения концентрации водорастворимых примесей в промывной жидкости поры:

EMBED Equation.3 . (8)

Процесс переноса водорастворимых примесей в промывной жидкости при ее движении в поре описывается уравнением

EMBED Microsoft Equation 3.0 . (9)

Процесс переноса водорастворимых примесей в пасте при движении промывной жидкости в поре описывается уравнением (2).

Начальные условия для уравнений (2), (9):

EMBED Microsoft Equation 3.0 , EMBED Microsoft Equation 3.0 . (10)

Граничные условия по координате l:

EMBED Microsoft Equation 3.0 , EMBED Microsoft Equation 3.0 . (11)

Решая уравнения (2), (9) с начальными (10) и граничными (5), (6) и (11) условиями методом интегральных преобразований Лапласа и преобразований в конечных пределах, получим зависимость для определения концентрации водорастворимых примесей в пасте зоны диффузии при движущейся промывной жидкости в поре:

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3 . (12)

Концентрацию водорастворимых примесей в промывной жидкости поры при ее движении определяем по зависимости

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3 . (13)

В третьей главе представлены методики определения концентраций примесей в суспензии и осадке азопигмента.

Паста Пигмента оранжевого Ж содержит: NaCl, Na2SO4 , HCl, и H2SO4, а также растворимые органические примеси. Твердая фаза пасты состоит из частиц пигмента и нерастворимых органических примесей. Определение водорастворимых примесей в пасте проводили ионоселективным методом определения ионов Na+, Н+, EMBED Equation.3 , Cl (рис. 2). Массу растворенных органических веществ определяли методом термогравиметрии, концентрацию пигмента в твердой фазе – методом избирательной экстракции различными экстрагентами (кислотами, щелочами, алифатическими спиртами, неполярными растворителями).

Для определения концентрации водорастворимых примесей в суспензии азопигментов предложены зависимости (14) – (17):

EMBED Equation.3 ; (14)

EMBED Equation.3 ; (15)

EMBED Equation.3 ; (16)

EMBED Equation.3 . (17)

Установлено, что содержание водорастворимых примесей в суспензии азопигмента оранжевого Ж находится в пределах: по NaCl – 1,16…1,39%; по Na2SO4 – 0,04…0,05%; по HCl – 0,34…0,40%; по H2SO4 – 0,01…0,02%; по растворимым органическим примесям – 0,065…0,07%; по Пигменту оранжевому – 3,2…3,9%; по нерастворимым органическим примесям – 0,05…0,1%. Данные концентрации водорастворимых примесей, рассчитанные по зависимостям (14) – (17), имеют погрешность 8,2%.

С учетом того, что суммарная масса ионов Na+ и Cl в жидкой фазе пасты составляет – 96,35 мас. % от общей массы водорастворимых примесей, предложена зависимость для определения концентрации водорастворимых примесей в пасте азопигмента оранжевого Ж на основе определения суммарной проводимости фильтрата:

EMBED Equation.3 . (18)

Лабораторная установка для исследования процессов фильтрования суспензий и удаления водорастворимых примесей из паст на фильтровальной перегородке представлена на рис. 3.

Влажность осадка, формируемого в фильтровальном элементе при различных давлениях фильтрации, определяли по значениям массы суспензии с известной концентрацией твердой фазы и массы отведенного фильтрата (рис. 4).

EMBED Word.Picture.8

EMBED WORD.PICTURE.8

EMBED WORD.PICTURE.8

Рис. 4. Влажность осадка Пигмента оранжевого Ж в зависимости

от времени фильтрования

при различных давлениях:

1 – 0,2 МПа; 2 – 0,4 МПа; 3 – 0,6 МПа;

4 – 0,8 МПа; 5 – 1,0 МПа

Рис. 5. Содержание водорастворимых солей в пасте Пигмента оранжевого Ж при использовании в качестве промывной жидкости:

1 – воды артезианской; 2 – воды речной; 3 – воды дистиллированной

Осадок Пигмента оранжевого Ж имеет глинообразную структуру с частицами твердой фазы размером 1…12 мкм, склонными к агломерации.

Повышение давления фильтрования с 0,2 до 1 МПа приводит к разрушению координационных связей материал–влага, образованию устойчивых агломератов и уплотнению слоя осадка и увеличению сопротивления слоя осадка с 0,097 до 0,72 МПа. Увеличение давления фильтрования с 0,2 до 0,6 МПа приводит к снижению влажности пасты на 6,9% и времени процесса на 41,6%; дальнейшее увеличение давления до 1,0 МПа нецелесообразно.

Исследовано влияние начальной концентрации водорастворимых примесей в промывной жидкости на эффективность удаления водорастворимых примесей из осадка (рис. 5). При этом была использована дистиллированная (содержанием водорастворимых солей 0,5 мг/л), речная (150 мг/л) и артезианская (910 мг/л) воды.

Обнаружено, что для достижения требуемой концентрации водорастворимых примесей наиболее эффективно использование в качестве промывной жидкости дистиллированной воды, позволяющей снизить объем промывных вод по отношению к речной воде на 4…16%, артезианской – 10…32%.

Использование дистиллированной воды для промывки осадка азопигментов экономически нецелесообразно, так как ее себестоимость в 8 – 12 раз выше артезианской; использование речной воды обоснованно в случае наличия близлежащих откры-тых водоемов.

Результаты оценки влияния расхода промывной жидкости на скорость удаления водорастворимых примесей, представленные на рис. 6, позволили сделать вывод, что оптимальный расход промывной жидкости, обеспечивающий равномерное заполнение сквозных пор осадка и более эффективное удаление водорастворимых примесей, составляет 1,8 кг/ч.

EMBED WORD.PICTURE.8

Получены значения скоростей изменения концентрации водорастворимых примесей в пасте Пигмента оранжевого Ж и в промывной жидкости в зависимости от разности концентрации и времени пребывания промывной жидкости в порах осадка (рис. 7).

EMBED Word.Picture.8

EMBED Word.Picture.8

а) б)

Рис. 7. Концентрация водорастворимых примесей в пасте в зависимости от количества промывной жидкости при непрерывной и цикличной ее подаче:

I – период линейной убыли концентрации примесей в пасте; II – период падающей скорости убыли концентрации примесей в пасте; III – период падающей скорости убыли концентрации;

1 – в проточных порах; 2 – в пасте; 3 – сорбированных на поверхности частиц пигмента;

а – непрерывный режим подачи промывной жидкости; б – время отключения подачи 6 мин;

в – время отключения подачи 10 мин

EMBED Word.Picture.8

в)

Рис. 7. Продолжение

Отключение подачи промывной жидкости в проточные поры увеличивает эффективность использования промывной жидкости по отношению к режиму ее непрерывной подачи с 31 до 78%. Получена зависимость скорости диффузии (19) водорастворимых примесей в пасте азопигмента от удельного объема промывных вод и времени отключения подачи промывной жидкости:

EMBED EQUATION.3 . (19)

Скорость процесса переноса водорастворимых примесей в пасте описывается с погрешностью 7,3%:

Четвертая глава посвящена разработке технологических параметров цикличной промывки паст азопигментов на фильтровальной перегородке, режимы которой заключаются в чередовании операций: 1 – непрерывная подача промывной жидкости; 2 – отключение подачи промывной жидкости; 3 – продувка пасты сжатым воздухом для вытеснения промывной жидкости из проточных пор.

Кинетические характеристики процесса удаления водорастворимых примесей при цикличной подаче промывной жидкости, полученные при следующих техно-логических параметрах: объем подаваемой промывной жидкости – 0,2 Vпр.ж, время непрерывной подачи промывной жидкости – 11 мин; время отключения подачи промывной жидкости – 6 мин; время продувки пасты сжатым воздухом для вытес-нения промывной жидкости из проточных пор – 3 мин, представлены на рис. 8.

EMBED Word.Picture.8



Страницы: 1 | 2 | Весь текст