Підвищення екологічної безпеки виробництва очищеного бікарбонату натрію шляхом мінімізації газових та рідинних відходів

Abstract

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 101 – Екологія. – Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут» Міністерства освіти і науки України, м. Харків, 2021. Роботу виконано на кафедрі Хімічної техніки та промислової екології Національного технічного університету «Харківський політехнічний інститут» Міністерства освіти і науки України. Об’єктом дослідження є процеси утворення відходів виробництва очищеного бікарбонату натрію та мінімізації їх впливу на довкілля. Предметом дослідження закономірності оптимізації фізико-хімічних параметрів процесу карбонізації содобікарбонатного розчину та конструкційних особливостей бікарбонатних колон виробництва очищеного бікарбонату натрію. Дисертаційне дослідження присвячене екологізації виробництва очищеного бікарбонату натрію шляхом оптимізації технологічних параметрів процесу карбонізації содобікарбонатного розчину та удосконалення конструктивних параметрів основного технологічного обладнання процесу – бікарбонатних колон. У вступі обґрунтовано науково-технічну актуальність дисертаційної роботи, сформульовано мету і задачі, визначено об’єкт, предмет і методи дослідження, показано зв'язок роботи с науковими темами, надано наукову новизну та сформульовано практичне значення отриманих результатів. Перший розділ присвячено комплексному аналізу науково-технічної інформації та інформації, отриманої на заводах з виробництва соди та содопродуктів, щодо сучасних методів підвищення екологічної безпеки виробництва очищеного бікарбонату натрію та основних технологічних параметрів. Розглянуто та проаналізовано світовий досвід щодо виробництва очищеного бікарбонату натрію. Розглянуто конструкційні особливості основного технологічного обладнання – бікарбонатних (карбонізаційних) колон. Виявлено вплив виробництв очищеного бікарбонату натрію на стан навколишнього середовища районів їхнього розташування. На підставі аналізу сформульовано задачі дослідження та шляхи їх вирішення. У другому розділі розглянуто методики проведення експериментальних досліджень в лабораторних та промислових умовах, надано опис матеріалів, приладів та обладнання для їхньої реалізації. Третій розділ присвячений теоретичному обґрунтуванню шляхів інтенсифікації процесів технології очищеного бікарбонату натрію з метою рішень задач екологізації виробництва. Було проведено аналіз впливу основних технологічних параметрів процесу карбонізації содобікарбонатних розчинів на екологічні показники якості кінцевого продукту та ефективність абсорбції СО₂ з метою мінімізації утворення відходів виробництва та зменшення їх негативного впливу на довкілля. В четвертому розділі досліджено вплив температури та витрати газу на кінетику карбонізації (насичення діоксидом вуглецю) розчину карбонат-гідрокарбонату натрію. В результаті використання експериментального лабораторного обладнання знайдено, що зростання температури абсорбенту від 79 до 85°С призводить до зниження максимального ступеню карбонізації розчину з 64 до 59%. Якість же отриманих кристалів гідрокарбонату натрію, навпроти, зростає, але тільки в інтервалі від 79 до 82°С. Крім того, було визначено що окрім конструктивної характеристики нижньої частини бікарбонатних колон, суттєву роль у тривалості експлуатації колон між зупинками на промивку відіграє кількість і місце розташування контактних елементів. В результаті досліджень в промислових умовах було виявлено, що найбільший ефект дає експлуатація лише двох з семи тарілок. П’ятий розділ присвячений визначенню шляхів підвищення екологічної безпеки содових виробництв і суміжних з ними виробництв очищеного бікарбонату натрію шляхом екологізації технологічних параметрів виробництва. Було визначено основні екологічно небезпечні аспекти діяльності останніх виробництв очищеного бікарбонату натрію, які пов’язані з недосконалістю процесу карбонізації содобікарбонатного розчину. На основі проведених досліджень, як в лабораторних, так і в промислових умовах було розроблено науково обґрунтовані рекомендації щодо інтенсифікації процесу карбонізації, спрямованої як на мінімізацію негативного впливу на довкілля та підвищення екологічної безпеки процесу, так і на підвищення якості виробництва кінцевого продукту. Виходячи з даних рекомендацій, розраховано орієнтоване зменшення кількості викидів в атмосферу парникового газу СО₂ світовими підприємствами очищеного бікарбонату натрію, яке склало 20,8 тис. т/рік. В разі реалізації запропонованих у п’ятому розділі заходів було досягнуте зменшення обсягів утворення рідинних відходів на 57,7%.Dissertation for the degree of Doctor of philosophy in specialty 101 – «Ecology». – National Technical University «Kharkiv Polytechnic Institute» of the Ministry of education and science of Ukraine, Kharkiv, 2021. The dissertation work was performed at the Department of Chemical Engineering and Industrial Ecology of the National Technical University «Kharkiv Polytechnic Institute» Ministry of Education and Science of Ukraine. The subject of the study is the processes of generation of refined sodium bicarbonate production wastes and minimization of their impact on dockillage. The subject of the investigation is the regularity of optimization of physical and chemical parameters of the process of carbonization of sodium bicarbonate solution and design features of bicarbonate columns for the production of refined sodium bicarbonate. The dissertation research is devoted to greening the production of refined sodium bicarbonate by optimizing the technological parameters of the carbonation process of a carbon dioxide solution and improving the design parameters of the main technological equipment of the process – bicarbonate columns. In the introduction, the scientific and technical relevance of the dissertation work is justified, the purpose and objectives are formulated, the object, subject and methods of research are defined, the connection of the work with scientific topics is shown, scientific novelty is given and the practical significance of the results obtained is formulated. The first section is devoted to a comprehensive analysis of scientific and technical information and information obtained at plants for the production of soda and soda products, on modern methods for improving the environmental safety of the production of refined sodium bicarbonate and the main technological parameters. The world experience in the production of refined sodium bicarbonate is considered and analyzed. Structural features of the main technological equipment – bicarbonate (carbonization) columns-are considered. The influence of refined sodium bicarbonate production on the state of the environmental in the areas of their location is revealed. Based on the analysis, the research objectives and ways to solve them are formulated. In the second chapter, methods of conducting experimental studies in laboratory and industrial conditions are considered, materials, devices and equipment for their implementation are described СО₂. The third section is devoted to the theoretical substantiation of ways to intensity the processes of refined sodium bicarbonate technology in order to solve the problems of greening production. The influence of the main technological parameters of the carbonation process of carbon dioxide Solutions on the Environmental Quality indicators of the final product and the efficiency of СО₂ absorption was analyzed in order to minimize the formation of industrial waste and reduce its negative impact on the environment. In the fourth section, the influence of gas temperature and flow rate on the kinetics of carbonation (carbon dioxide saturation) of a sodium carbonatebicarbonate solution is studied. As a result of using experimental laboratory equipment, it was found that an increase in the temperature of the absorbent from 79 to 85°C leads to a decrease in the maximum degree of carbonation of the solution from 64 to 59%. The quality of the obtained sodium bicarbonate crystals, on the contrary, increases, but only in the range from 79 to 82°C. In addition, it was determined that in addition to the design characteristics of the lower part of bicarbonate columns, the number and location of contact elements play a significant role in the duration of operation of columns between Flushing stops. As a result of research in industrial conditions, it was found that the greatest effect is given by the operation of only two of the seven plates. The fifth section is devoted to determining ways to improve the environmental safety of soda production and related industries of refined sodium bicarbonate by greening the technological parameters of production. The main environmentally hazardous aspects of the activity of the latest production facilities of refined sodium bicarbonate, which are associated with the imperfection of the carbonation process of the carbon dioxide solution, were identified. Based on the conducted research, both in laboratory and industrial conditions, scientifically based recommendations were developed to intensify the carbonation process, aimed both at minimizing the negative impact on the environment and improving the environmental safety of the process, and at improving the quality of production of the final product. Based on these recommendations, an oriented reduction in the amount of greenhouse gas СО₂ emissions into the atmosphere by world enterprises of refined sodium bicarbonate was calculated, which amounted to 20.8 thousand tons/year. If the measures proposed in section five were implemented, a 57.7% reduction in liquid waste generation was achieved.