Vol 58, No 1 (2024)

Статья посвящена анализу роли химической технологии в развитии концепции наилучших доступных технологий и особенностей ее практического применения при разработке и актуализации информационно-технических справочников, а также их использования для целей эколого-технологического нормирования промышленных предприятий. Кратко описана эволюция концепции наилучших доступных технологий, и изложены ее основные принципы, в обосновании которых принимали участие ведущие отечественные ученые. Показано, что наилучшие доступные технологии направлены на повышение ресурсной (в том числе энергетической) эффективности производства и снижение негативного воздействия на окружающую среду. Представлен анализ основных тенденций развития технологий производства минеральных удобрений. Приведены технологические показатели эмиссий, показатели ресурсной эффективности и углеродоемкости для наилучших доступных и перспективных технологий. Подчеркнуто, что химические технологии играют ключевую роль в сокращении негативного воздействия на окружающую среду в различных отраслях промышленности; проанализированы проекты очистки отходящих газов от оксидов серы, разработанные для металлургических предприятий. Представлен взгляд международного коллектива авторов на перспективы совершенствования концепции наилучших доступных технологий и расширения практики ее применения в Российской Федерации и за рубежом.

Представлена математическая модель тепло- и массопереноса в процессе конвективной сушки ткани в химической технологии ее отделки. Уравнения записаны для теплофизических переменных, усредненных по объему образца. Модель контролирует состояние воды в капиллярно-пористой системе и учитывает течение жидкой фазы в связанном состоянии, свободная вода неподвижна. Изменение концентрации свободной воды может происходить за счет фазовых переходов на границах жидкой и газообразной фаз. Математическая модель может рассматриваться как вариант известной модели диффузионного тепло- и массопереноса А.В. Лыкова с определенными дополнениями. Кроме уравнений влагопроводности, теплопроводности и общего давления, в модель включено уравнение для концентрации паровой компоненты газообразной фазы. Для локальных значений коэффициента диффузии жидкой фазы и критерия фазового перехода используются аналитические зависимости этих величин от влагосодержания и температуры. Математическая модель исследована численно с помощью метода конечных разностей. Валидация модели проведена с использованием данных лабораторного эксперимента для образцов ткани из хлопка различной плотности, толщины и способов плетения. Расчеты кривых сушки по предложенной модели показали удовлетворительное совпадение с опытными зависимостями. Исследован вклад в процесс высушивания ткани двух механизмов массопереноса, связанных с фазовыми переходами и капиллярными течениями жидкой фазы.

Эффективность существующих пылеуловителей для частиц размером PM2.5, представляющих значительную опасность для здоровья человека и обнаруживаемых в местах, ранее считавшихся свободными от таких частиц, сводится к нулю. Один из наиболее эффективных способов укрупнения частиц для повышения эффективности существующих пылеуловителей – принудительная ультразвуковая коагуляция аэрозолей. Однако ультразвуковая коагуляция является эффективной лишь, начиная с размеров частиц 5...10 мкм и более. Поэтому проведенные авторами исследования направлены на поиск и теоретическое обоснование возможностей повышения эффективности коагуляции PM2.5 за счет создания условий формирования трехмерных нелинейных эффектов – вихревых течений и турбулентных возмущений. Предложена численная модель ультразвуковой коагуляции с учетом данных эффектов. Проведенный численный анализ модели на примере аэрозоля PM2.5 позволил установить, что наиболее эффективно коагуляция реализуется в резонансных акустических полях, в которых вихревые течения и турбулентные возмущения обладают максимальной скоростью. Наличие трехмерных турбулентных возмущений приводит к тому, что эффективность коагуляции достигает практически 100% при уровне звукового давления не более 165 дБ.

Отходы обогащения железной руды с высоким содержанием кремнезема (более 50% SiO₂) складируются в огромных количествах в отвалах, оказывая негативное влияние на экологию и экономику производства. В работе предложено гидрохимическое обескремнивание хвостов мокрой магнитной сепарации титаномагнетитов, обеспечивающее получение чистого аморфного кремнезема при переработке отходов с регенерацией реагента – гидрофторида аммония NH₄HF₂. Выщелачиванием 10%-м раствором NH₄HF₂ в выбранных условиях степень извлечения SiO₂ достигала 45%. Анализ экспериментальных данных с применением ряда распространенных кинетических уравнений показал смешанный режим течения процесса выщелачивания кремнезема в интервале температур 313–363 K, для которого лимитирование химической реакции растворения SiO₂ одновременно сдерживается диффузионными процессами на границе раздела фаз. Обновление поверхности частиц сырья в модели “сжимающегося ядра” путем перемешивания для отвода продуктов протекающих реакций фторирования положительно сказывается на эффективности процесса.

Рассмотрены подходы к исследованию структуры диаграммы парожидкостного равновесия многокомпонентных систем как основы предсинтеза принципиальных технологических схем ректификации. Проведен анализ достоинств и недостатков существующих методик. Показана целесообразность использования различных методик в зависимости от специфики фазового поведения системы (наличие одной (двух) особой точки, внутренних сепаратрических многообразий). Выделена группа систем, проявляющих одноименные отклонения от идеальности (при отсутствии тройных азеотропов седловидного типа), для которой возможно проведение анализа структуры диаграммы на основе минимального объема доступной информации (температуры кипения компонентов и азеотропов). При этом не требуется геометрическое построение концентрационного симплекса, его разверток или отдельных составляющих системы. Предложенная методика анализа структуры диаграммы многокомпонентных систем проиллюстрирована на примере трех промышленных смесей разной компонентности.

Получено соотношение для эффективного коэффициента перемешивания, позволяющего учесть масштабный эффект при моделировании массообменных процессов в аппаратах большого диаметра в рамках одномерной диффузионной модели. Соотношение явным образом учитывает зависимость величины указанного коэффициента от поперечной неравномерности гидродинамических и концентрационных полей. С использованием указанного соотношения проведено моделирование процесса флотационной очистки промышленных стоков от нефтесодержащих соединений. Сопоставление результатов расчета с показателями работы флотаторов на Киришском нефтеперерабатывающем заводе доказало адекватность предложенных модельных представлений реальному промышленному процессу.

На основе знания термодинамических потоков и движущих сил процесса дробления и применения принципа минимума производства энтропии получена зависимость для определения размера частиц, устойчивых к дроблению, проверенная на экспериментальных результатах по измельчению корунда в планетарной мельнице. Для моделирования кинетики измельчения получено интегро-дифференциальное уравнение баланса числа частиц по линейным размерам, где вероятность дробления частиц определена из физико-химической сущности термодинамических потоков дробления. Приведены результаты расчета плотности функции распределения числа частиц и изменения среднего размера частиц корунда при измельчении во времени, хорошо совпадающие с экспериментальными данными. Найдены оптимальные режимы проведения процесса измельчения корунда в планетарной мельнице для получения частиц заданного размера.