Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Анализ технологии абсорбции газов в производстве кальцинированной соды . 6
1.1 Анализ физико-химических основ абсорбции газов в производстве кальцинированной соды. 6
1.2 Анализ промышленных технологических схем и аппаратов отделения абсорбции 18
Глава 2 Разработка новых способов интенсификации процесса абсорбции газов в производстве кальцинированной соды . 35
2.1 Разработка способа интенсификации массообмена в аппаратах производства кальцинированной соды 35
2.2 Разработка способа интенсификации теплообмена в аппаратах производства кальцинированной соды 57
Глава 3 Экспериментальное исследование важнейших закономерностей процесса абсорбции смеси углекислого газа и аммиака с исследованием эффективности новых контактных устройств. 67
3.1 Исследование кинетических закономерностей процесса абсорбции углекислого газа раствором NaOH. 67
3.2 Исследование гидравлического сопротивления ВКУ . 79
3.3 Исследование брызгоуноса ВКУ. 84
3.4 Исследование теплообмена в ВКУ 89
3.5 Исследование массоотдачи в газе при больших массовых нагрузках по жидкой и газовой фазам. 93
3.6 Исследование массоотдачи в жидкой фазе ВКУ 98
Глава 4 Разработка технологических схем и промышленных аппаратов для интенсификации физико-химических процессов . 102
4.1 Разработка технологии и промышленных аппаратов абсорбции смеси аммиака и углекислого газа в производстве кальцинированной соды 102
4.2 Разработка вихревого промывателя газа колонн для санитарной очистки газовых выбросов от аммиака и анализ результатов опытно-промышленных испытаний 129
Выводы. 135
Литература 136
Приложение
- Анализ промышленных технологических схем и аппаратов отделения абсорбции
- Разработка способа интенсификации теплообмена в аппаратах производства кальцинированной соды
- Исследование гидравлического сопротивления ВКУ
- Разработка вихревого промывателя газа колонн для санитарной очистки газовых выбросов от аммиака и анализ результатов опытно-промышленных испытаний
Введение к работе
В настоящее время наиболее распространенным способом производства кальцинированной соды является аммиачный способ Сольве, на долю которого приходится до 70% мирового производства. Способ Сольве базируется на использовании дешевого и доступного сырья (поваренной соли, известняка и аммиака). Описание современной технологии содового производства посвящены фундаментальные монографии и статьи: Гольдштейна А. Р., Зайцева И. Д., Зеликина М. Б., Крашенинникова С. А., Микулина Г. И.э Ткача Г. А. и др. Проблемам абсорбции углекислого газа и аммиака посвящены работы: Белопольского А. П., Позина М. Е., Юшкевича Н. Ф., Авдеевой А. В. и др. Проблемам интенсификации производства и проблемам экологии посвящены диссертационные работы Титова В. М., Фальковского Н. Н., Цейтлина М. А. и др. Большой вклад в современную технологию внесли научные работы ученых Государственного научно-исследовательского и проектного института основной химии (НИОХИМ) г. Харьков.
Современное производство соды по аммиачному способу имеет высокий уровень организации технологии, который базируется на непрерывности и автоматизации производства. Однако, в отличии от других химических производств производство кальцинированной соды отличается исключительно большой материалоемкостью оборудования и большими отходами в окружающую среду. Общая материалоемкость оборудования только одной технологической нитки более 2000 тонн. Доля капитальных затрат на оборудование является основной по сравнению с суммой остальных расходов, а материалоемкость только одного абсорбера аммиака после колонн дистилляции достигает 150 тонн.
Выражаю благодарность кандидату технических наук, доценту Петрову Владимиру Ивановичу Настоящая работа посвящена интенсификации стадии абсорбции смеси аммиака и углекислого газ высокой концентрации после колонн дистилляции производства кальцинированной соды. Разработан и исследован новый способ интенсификации процесса абсорбции газов высокой концентрации, который основан на одновременном уменьшении температуры газа и жидкости, увеличении плотности орошения абсорбера и создании нового способа взаимодействия фаз. На основании экспериментальных исследований механизма и кинетики процесса абсорбции газов, математического описания гидродинамики, массопередачи и теплообмена в принципиально новых вихревых устройствах разработана конструкция высокоэффективного промышленного вихревого абсорбера и высокопроизводительная технология абсорбции аммиака и углекислого газа высокой концентрации после колонн дистилляции. Разработанный способ интенсификации и новый аппарат принят к внедрению в производство.
Анализ промышленных технологических схем и аппаратов отделения абсорбции
Известно несколько вариантов исполнения технологической схемы абсорбции аммиака рассолом. Известные схемы отличаются способом охлаждения газовых и жидкостных потоков.
На некоторых заводах применяют многоступенчатое промежуточное охлаждение газовой фазы. В большинстве случаев аммонизированный рассол охлаждают либо непосредственно в процессе абсорбции, либо с выводом рассола из абсорбера для промежуточного охлаждения в специальном холодильнике.
Существует несколько вариантов охлаждения газа и жидкости: 1. Охлаждение аммонизированного рассола после АБ-1 и после АБ-2 (выносные холодильники) 2. Охлаждение только газового потока на трех нижних тарелках абсорбера с отводом конденсата. 3. Охлаждение жидкостного потока после АБ-1 и газового после АБ-2 с отводом конденсата. 4. Охлаждение после АБ-1 жидкостного потока и одновременное охлаждение газового и жидкостного потока АБ-2 за счет прямотока в аппарате с колосниковой насадкой. 5. Охлаждение в АБ-2 жидкостного и газового потока на противоточ-ных трубно-решетчатых тарелках.
Обычно в конструкциях абсорберов АБ-1 и АБ-2 применяются барбо-тажные тарелки с одним или несколькими колпачками. На одноколпачковои тарелке глубина барботажа 250-400 мм. Эти тарелки хорошо себя зарекомендовали. В АБ-1 - четыре тарелки с глубиной барботажа (сверху вниз) 250, 250, 250 и 400 мм, а в АБ-2 - одна тарелка с глубиной барботажа 400 мм. На рис. 1.6 представлен абсорбер с одноколпачковыми тарелками и наружными переливами, а на рис. 1.7 показан основной элемент одноколпачкового абсорбера, пассет.
Это обычного типа пассеты рис. 1.7, применяемые для неочищенного рассола, состоят из чугунного днища 1, приподнятого к центру воронки, имеющей в середине отверстие. Отверстие прикрывается чугунным колоколом 2, который ножками-приливами стоит на днище. Днище отделяет одно отделение аппарата от другого. В данном случае каждым отделением является бочка. Одно отделение с другим соединяется переливными трубами 3, причем верхняя часть переливной трубы расположена на такой высоте, что на днище всегда остается слой жидкости постоянной высоты, в который на определенную глубину погружены края колокола. Высота от нижнего края колокола до уровня жидкости на днище пассета называется глубиной барбо-тажа. Газ, входя из нижней бочки, барботирует через зазубренные края колокола, через слой жидкости, входит в конусную часть днища под колокол другого пассета и так далее. Переливные трубы обычно дублированы ввиду возможности засорения одной из них и расположены одна напротив другой. Выход рассола по отношению к входу делается под углом 90 с целью лучшего смешения.
Форма пассета способствует лучшему соприкосновению газа с жидкостью. Пассет образует днище с кривизной. С этой же целью делают зубцы на краях колокола, так как при этом увеличивается периметр, то есть линия соприкосновения газа с жидкостью, и достигается равномерность распределения и раздробления пузырьков газа. С целью удлинения пути соприкосновения газа с жидкостью без увеличения сопротивления края колокола делаются удлиненными, то есть увеличивают их диаметр, загибая их книзу. Где не требуется большого увеличения поверхности абсорбции, например, в нижних бочках абсорбера, там края колокола не загнуты.
На многоколпачковых тарелках удалось снизить гидравлическое сопротивление, т.е. снизить глубину барботажа, за счет большого периметра бар-ботажа, до 80-100 мм. Основной деталью барботажных аппаратов, применяемых в отделении абсорбции, является барботажная тарелка рис. 1.8, на днище 1 которой находится 17 горловин 3, перекрытых колпачками 4. В каждом аппарате имеется несколько тарелок, зажатых между фланцами отдельных царг, расположенных одна над другой и соединенных болтами в виде одного колонного аппарата.
Трубные решетки закрыты крышками 6, образующими переточные камеры 4, через которые в трубки поступает охлаждающая вода. Для повышения скорости протекания воды, а, следовательно, и интенсивности теплопередачи переточные камеры разделены перегородками на восемь ходов. В межтрубном пространстве снизу вверх движется газ. Снаружи трубки орошаются рассолом из АБ-1. В верхней царге аппарата установлена распределительная плита 2 для равномерного распределения жидкости по сечению второго абсорбера. Жидкость из АБ-1 поступает на распределительную плиту через гидравлический затвор 1, прикрепленный к днищу первого абсорбера. Газ из холодильника газа дистилляции поступает в нижнюю царгу АБ-2.
Противоточный абсорбер рис. 1.10 представляет собой вертикальный цилиндрический аппарат, оснащенный распределительным устройством 1, противоточными решетчатыми тарелками 2, противоточными трубно-решетчатыми тарелками 3 и перераспределительной тарелкой 4.
Абсорбер состоит из отдельных царг, выполненных из чугуна со стенками толщиной 30-40 мм. Общее число царг 20 штук. Высота царг (межтарелочное расстояние), в которых установлены противоточные трубнорешетча-тые тарелки, 950 мм; высота царг, в которых установлены противоточные решетчатые тарелки, 900 мм.
Разработка способа интенсификации теплообмена в аппаратах производства кальцинированной соды
Растворимость аммиака возрастает с повышением давления. На рис. 2.11 представлена зависимость растворимости аммиака в воде от давления при температуре 20 С. Растворимость аммиака в воде и свежем рассоле протекает с выделением тепла. Тепло, выделяющееся при растворении 85 г аммиака віл воды комнатной температуры, нагревает раствор до 60-65 С. Поэтому в процессе аммонизации рассола производства кальцинированной соды проблема интенсификации теплообмен занимает одну из главнейших задач. Достижение поставленной цели невозможно без анализа способов и аппаратов для проведения эффективного теплообмена при абсорбции аммиака в производстве кальцинированной соды. Анализ схем охлаждения газовых и жидкостных потоков на стадии абсорбции в параграфе 1.2 показал, что наиболее перспективным охлаждением в процессе аммонизации являются охлаждение рассола в выносных холодильниках и одновременное охлаждение газа и жидкости в зоне контакта фаз.
Рассмотрим известные эффективные теплообменные и тепломассооб-менные аппараты для каждой из схем в отдельности.
Существует несколько классификаций теплообменных аппаратов, но основная / 82, 83 / делит все теплообменники в зависимости от способа передачи тепла на две основные группы: 1. Поверхностные теплообменники, в которых перенос тепла между обменивающимися теплом средами происходит через разделяющую их поверхность теплообмена - глухую стенку. 2. Теплообменники смешения, в которых тепло передается от одной среды к другой при их непосредственном соприкосновении. Г. В. Буханцев / 84 / провел сравнительное технико-экономическое сопоставление следующих конструкций теплообменников: a) Чугунный оросительный теплообменник; b) Бочечный, по типу холодильника низа карбонизационной колонны; c) Кожухотрубчатый элементный; d) Кожухотрубчатый многоходовой с продольными и поперечными ходами; e) Теплообменник «труба в трубе»; f) Спиральный. Все эти теплообменники сравнивались расчетным путем при одинаковой тепловой нагрузке и одинаковых концевых температурах. Сопоставление проводилось по следующим показателям: 1. Коэффициент теплопередачи (для чистых поверхностей нагрева); 2. Гидравлическое сопротивление; 3. Габариты; 4. Расходы металла на теплообменник, в частности — расход легированных сталей; 5. Стоимость теплообменника; 6. Расход и стоимость электроэнергии на прокачку охлаждающей воды (аммонизированный рассол проходит через теплообменник самотеком); 7. Удобство очистки и ремонта.
Из анализа Г. В. Буханцева выяснилось, что по совокупности всех достоинств и недостатков наиболее рациональным и перспективным типом теплообменника для условий производства кальцинированной соды является спиральный холодильник.
Однако, существуют еще несколько типов теплообменников, один из них пластинчатый / 85 /, в котором поверхность теплообмена образуется гофрированными параллельными пластинами с помощью которых создается система узких каналов шириной 3-6 мм с волнистыми стенками. Две жидкости, между которыми происходит теплообмен, движутся в каналах между смежными пластинами, омывая противоположные боковые стороны каждой пластины.
Вследствие значительных скоростей, с которыми движутся жидкости между пластинами, достигаются высокие коэффициенты теплопередачи вплоть до 3800 Вт/ м2К и более при малом гидравлическом сопротивлении. Пластинчатые теплообменники легко разбираются и очищаются от загрязнений. К их недостаткам относятся: невозможность работы при высоких давлениях и трудность выбора эластичных химически стойких материалов для прокладок.
Принципиально новым направлением / 86, 87 /, в качестве материалов, используемых для теплообменников - использование пластмассовых материалов. Они с успехом заменяют трубы и конструкции из легированных сталей, драгоценных металлов, бетона и дерева, позволяя экономить промыш-ленно важные материалы и стали, а в ряде случаев исключить проблему защиты от коррозии, что в 10-15 раз продлевает срок их службы по сравнению со стальными, в 8-10 раз уменьшает массу и не менее чем на 15-20 % снижает расходы на транспорт.
Благодаря высокой коррозионной стойкости пластмассовых трубопроводов значительно повышается срок их службы в агрессивных средах. Так, например, при транспортировке 10% серной кислоты трубопровод из стали марки 12Х18Н10Т выходит из строя через 1 год эксплуатации, трубопровод из полиэтилена - через 4 года, из винипласта - через 15 лет.
Кроме того, преимущество трубопроводов из полимерных материалов перед металлическими является их большая пропускная способность, так как внутренняя поверхность большинства пластмассовых трубопроводов имеет меньшую шероховатость по сравнению со стальными. Так при прочих равных условиях пропускная способность пластмассового трубопровода диаметром 90 мм такая же, как стального Dy=l25 мм.
Наиболее эффективным пластмассовым материалом для теплообменников является фторопласт-4 / 88 /. Из него выполняют трубчатые теплообмен-ные аппараты / 89 /. Существует несколько вариантов оформления теплооб-менных аппаратов погружного (тип П) и кожухотрубчатого (тип К) типов, предназначенных для нагрева, охлаждения или конденсации коррозионно-активных и особо агрессивных сред. Эти аппараты применяются в химической, фармацевтической и пищевой промышленности, а также при проведении процессов химической и электрохимической обработки материалов.
Исследование гидравлического сопротивления ВКУ
Оценку эффективности работы ВКУ, в соответствии с теорией межфазной турбулентности, можно дать на основе анализа гидравлического сопротивления сухого и орошаемого контактного устройства. Чем больше разность между гидравлическим сопротивлением орошаемого и сухого ВКУ при данной плотности орошения, тем больше количества энергии затрачивается на взаимодействие между потоками, на развитие турбулентности, а, следовательно, тем больше количества передаваемого вещества /125/.
Влияние физико-химических свойств жидкой фазы на гидравлическое сопротивление орошаемых ВКУ было подробно исследовано в работах /126, 127/.
При математическом описании гидравлического сопротивления ВКУ, в соответствии с требованиями простоты и четкости измеряемости функции отклика / 128 /, для получения адекватной модели наиболее целесообразно результаты опыта обрабатывать в виде чистого гидравлического сопротивления.
Исследование гидравлического сопротивления ВКУ с нисходящим потоком взаимодействия фаз проводилось на экспериментальной установке, принципиальная схема которой показана на рис. 3.16.
Аппарат состоит из корпуса 1, рабочей тарелки 2, промежуточной тарелки 3, брызголовушки 4. Установка снабжена системой подвода газа и жидкости включающей в себя: высоконапорную газодувку 27, нормальную диафрагму 25, центробежный насос 20, расходомер 21, бак оборотной воды 19. Перепады давления измерялись с помощью манометров 13, 14, 15. Температура газа и жидкости лежала в интервале 35 ± 5С и 20± 2С соответственно.
Эксперимент заключался в следующем: газ подавался высоконапорной газодувкой 27 в завихритель 5, сорбент насосом 20 через патрубок 16 поступал на промежуточную тарелку 3. В контактном патрубке 6 происходило взаимодействие газа с сорбентом. Затем газожидкостной поток направлялся на рабочую тарелку 2, здесь происходила сепарация газожидкостного потока. Далее газ уходил в брызголовушку 4 через патрубки 7, а сорбент направлялся в бак оборотной воды 19. Количество уносимой жидкости в брызголовушку измерялось мерным стаканом 12.
Для сравнения величины гидравлического сопротивления нисходящего и восходящего потока взаимодействия двух фаз проводили исследования гидравлического сопротивления ВКУ с восходящим потоком взаимодействия фаз при тех же условиях. Причем жидкость подавалась непосредственно в зону контакта фаз. Все эксперименты по исследованию гидравлического сопротивления проводились при расходах газа от 150 до 400 м3/ч и расходах жидкости от 1 до 6 мъ/ч. Эти величины расходов позволяли создать в контактном устройстве массовые отношения жидкой и газовой фазы до 31 кг/кг .
Одним из способов ускорения процесса массообмена является увеличение скорости взаимодействия фаз, за счет чего увеличивается турбулизация двух фазного потока, однако, с увеличением скорости резко возрастает пено-и брызгоунос, устранить который трудно.
Использование барботажных и насадочных аппаратов сдерживается малой скоростью газа по сечению, не превышающей 1-1,5 м/с, кроме того, эти аппараты обладают значительным уносом жидкой фазы со ступени на ступень.
Специфичной особенностью процесса абсорбции аммиака высокой концентрации в производстве кальцинированной соды является большое количество рассола, подаваемого по материальному балансу для получения аммонизированного рассола. По сравнению с массой обрабатываемого газа, жидкости в аппарат поступает примерно в 20 раз больше.
Разработка вихревого промывателя газа колонн для санитарной очистки газовых выбросов от аммиака и анализ результатов опытно-промышленных испытаний
Улучшение состояние воздушного бассейна регионов, в которых расположены предприятия содовой промышленности, является важной и неотъемлемой частью общих задач, связанных с охраной природы и решаемых на содовых заводах и в научно-исследовательских институтах.
Для содового производства, работающего по аммиачному способу, наиболее характерными являются выбросы в атмосферу аммиака, окиси углерода, известняковой, известковой, бикарбонатной и содовой пыли, а также выбросы топочных газов.
Основными источниками выбросов аммиака в производстве кальцинированной соды являются аппараты отделения абсорбции и карбонизации. Кроме того, аммиак содержится в выбросных газах вентиляционных систем ряда технологических отделений этого производства. Технологические выбросы аммиака являются результатом недостаточно эффективной промывки газов раствором поваренной соли (рассолом). Промывка обычно осуществляется в так называемых вторых промывателях газа колонн (ПГКЛ-2) и промы-вателях воздуха фильтров (ПВФЛ). Эти аппараты представляют собой чугунные барботажные абсорберы диаметром до 2800 мм, снабженные колпач-ковыми тарелками с переливами.
В настоящее время на некоторых заводах, в том числе на Крымском содовом заводе, после вторых промывателей стоят санитарные промыватели для дополнительной промывки рассолом выбрасываемых в атмосферу технологических газов. Санитарные промыватели снабжены противоточными дырчатыми тарелками с большим диаметром отверстий. Недостатком данных контактных устройств является высокий брызгоунос и малая эффективность.
Газообразный аммиак в составе отходящих газов поступает в аппарат через входной патрубок и попадает на тарелку с ВКУ.
На тарелке в зависимости от требуемой производительности по газу, может быть расположено различное количество ВКУ. Максимальное количество - 100 шт., что соответствует производительности по газу 25,0-40,0 тыс. м3/ч. Контактные устройства просты по конструкции, легкосъемные и не требуют трудоемкой разборки аппарата и демонтажа тарелок. Установка ВКУ на тарелках может быть осуществлена через люк-лаз имеющейся на аппарате.
Аппарат работает следующим образом. Отходящие газы, содержащие газообразный аммиак, отсасываются из технологических аппаратов и через входной патрубок аппарата поступают в ВКУ. Газ, проходя контактные устройства, закручивается вследствие тангенциального расположения лопаток. Скорость газа в щелях составляет 15 - 20 м/с. Затем закрученный газовый
поток подхватывает сорбент-рассол поступающий с тарелки через прорези в контактный патрубок и абсорбируется. Газо-жидкостной поток поднимается вверх по контактному патрубку до отбойника, где происходит сепарация-отделение жидкой фазы от газового потока. В ВКУ сорбент многократно циркулирует, образуя постоянно обновляющуюся поверхность контакта фаз. Контактное устройство снабжено специальным отбойником, представляющий собой патрубок, на внутренней поверхности которого установлены ребра. При попадании газо-жидкостного потока на такую поверхность происхо дит гашение крутки газового потока, сбор жидкой фазы в межреберном пространстве и отвод ее на тарелку. Конструкция контактного устройства позволяет уменьшить взаимодействие газо-жидкостных потоков соседних ВКУ, что приводит к уменьшению уноса жидкой фазы на вышележащую тарелку. Снижение брызгоуноса ведет к повышению движущей силы процесса массо-обмена и увеличивает степень абсорбции газообразного аммиака. Вихревой аппарат работает под давлением создаваемым турбокомпрессором.
После прохождения трех ступеней, газовый поток попадает в сепаратор, а затем направляется в трубу выброса.
Аппарат в целом работает в противоточном режиме, а ВКУ - в прямоточном. На последнюю по ходу газа ступень подается по материальному балансу сорбент-рассол. Сорбент, находящийся на тарелке, многократно циркулирует в ВКУ, абсорбируется, затем по переливным трубам стекает на нижележащие ступени.
