Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Литературный обзор 7
1.1.Основные направления развития производства серной кислоты 7
1.2.Основные направления оптимизации работы промывного отделения 8
1.3.Очистка обжигового газа 9
1.4.Аэродисперсные системы 12
1.4.1. Характеристика аэрозолей 12
1.4.2. Сопротивление движению аэрозольных частиц 16
1.4.3. Уравнения движения аэрозольных частиц 18
1.4.4. Диффузионный перенос аэрозольных частиц 20
1.4.5 Конвективный перенос аэрозольных частиц 21
1.4.6. Электризация аэрозольных частиц 22
1.4.7. Явления испарения и конденсации в аэрозолях 23
1.4.8 Коагуляция аэрозольных частиц 27
1.5.Очистка газов от пыли 30
1.5.1.Очистка от пыли в поле центробежных сил 31
1.5.2.Очистка газов в поле электрических сил 33
1.5.3.Очистка газов в скрубберах 39
1.6..Брызгоунос 41
1.7.Распыливание жидкостей 44
1.8.Расчет физико-химических свойств 51
1.8.1.Расчет физико-химических свойств газовой фазы 51
1.8.2.Расчет физико-химических свойств жидкой фазы 55
1.8.3.Расчет параметров газо-жидкостного равновесия 56
1.9.Расчет коэффициентов массо- и теплопередачи 57
1.9.1 .Расчет коэффициентов массо- и теплоотдачи в распы лительных аппаратах 57
1.9.2. Расчет коэффициентов массо- и теплоотдачи для насадочных аппаратов 59
1.10.Удаление из обжиговых газов соединений селена, теллура и мышьяка 63
Выводы 67
ГЛАВА 2. Математические модели процессов 69
2.1. Математическая модель процесса очистки газа в распылительном аппарате 70
2.2. Математическая модель процессов, протекающих в газоходах 73
2.3. Математическая модель очистки газа в насадочном аппарате 74
2.4. Математическая модель жидкостного тракта промывного отделения 76
2.5. Математическая модель очистки газа в мокрых электрофильтрах 78
ГЛАВА 3. Обработка экспериментальных данных и оценка параметров математических моделей 79
3.1. Распределение частиц пыли по размерам 79
3.2. Распределение капель распыла по размерам и расчет брызгоуноса 82
3.3. Равновесие над растворами серной кислоты 82
3.4. Физико-химические свойства растворов серной кислоты 90
3.5. Физико-химические свойства газовой фазы 94
3.6. Уравнения для тепло- и массопереноса 100
3.7. Уравнения для расчета процесса удаления аэрозолей при взаимодействии фаз 102
3.8. Условия для образования тумана в газовой фазе 104
ГЛАВА 4. Результаты расчетов по математической модели и их анализ 108
4.1. Первая промывная башня 109
4.2. Вторая промывная башня 112
4.3. Увлажнительная башня 113
4.3. Газоходы между аппаратами 114
4.4. Мокрые электрофильтры 117
4.5. Выделение из обжиговых газов оксидов селена и мышьяка .. 120
Выводы 122
Литература 124
- Расчет коэффициентов массо- и теплоотдачи для насадочных аппаратов
- Математическая модель процесса очистки газа в распылительном аппарате
- Уравнения для расчета процесса удаления аэрозолей при взаимодействии фаз
- Выделение из обжиговых газов оксидов селена и мышьяка
Расчет коэффициентов массо- и теплоотдачи для насадочных аппаратов
Традиционно серную кислоту из колчеданов получают двумя способами - с одинарным и двойным контактированием. Независимо от способа, образуются запыленные печные газы, которые необходимо очищать от пыли и каталитических ядов. Выходящий из печи газ имеет температуру порядка 850-1000 С и. содержит значительное количество пыли - до 350 г/нм3. Этот газ последовательно проходит котел-утилизатор, циклон и сухой электрофильтр. В практике сернокислотного производства встречаются различные технологические оформления узла мокрой очистки газа. Наиболее изученной и ранее всех реализованной является, теперь уже "классическая", схема очистки запыленных газов [1], изображенная на рис. 1. Обжиговый газ, выходящий из печи "КС", содержит до 300 г/нм3 пыли и имеет температуру примерно 850С. Проходя последовательно котел-утилизатор и циклон обжиговый газ освобождается от грубодисперсной пыли и охлаждается до 300 - 400С. Далее обжиговый газ поступает в сухой электрофильтр, где из него удаляется основное количество пыли. Газ, содержащий мелкодисперсную пыль после сухой очистки, последовательно проходит первую и вторую промывные башни, первый мокрый электрофильтр, увлажнительную башню и второй мокрый электрофильтр. В первой промывной башне из газа удаляется основное количество мелкодисперсной пыли и оксиды селена, теллура и мышьяка. Температура газа после этой башни снижается до 85 - 95С. Из-за присутствия в газе паров воды и три-оксида серы, а также ввиду того что при охлаждении газа распыленной кислотой из нее также выделяются пары серной кислоты, воды и триоксид серы, при охлаждении газа в первой башне наблюдается образование тумана серной кислоты повышенной концентрации. Этот туман частично улавливается каплями распыленной кислоты, а частично выносится с газом из башни. ляются незначительные количества аэрозольных частиц, пары оксидов селена, теллура и мышьяка, а сам газ дополнительно насыщается парами воды. В этой же башне происходит укрупнение аэрозольных частиц и понижается концентрация кислоты в них. Ансамбль аэрозольных частиц состоит из капель образовавшегося в первой башне тумана и мелких капель, унесенных из башен при распылении кислоты. В газоходах между аппаратами протекают процессы укрупнения аэродисперсных частиц и снижение их полидисперсности. В первом мокром электрофильтре газ освобождается от основного количества аэрозольных частиц. Далее газ поступает в увлажнительную башню, в которой происходит дальнейшее насыщение газа парами воды, рост аэрозольных частиц и из газа удаляются фтористые соединения. Финишная очистка обжигового газа осуществляется во втором мокром электрофильтре: содержание в выходящем из него газе аэрозольных частиц и каталитических ядов существенно ниже норм технологического режима. Дальнейшее совершенствование технологической схемы промывного отделения велось по различным направлениям. В [2] указывается на реализацию в промышленных условиях "испарительного" режима работы промывного отделения. Отличие от классической заключается в том, что в первой промывной башне охлаждение газа происходит, в основном, за счет тепла испарения орошающей кислоты. Этим добиваются исключения из схемы холодильников кислоты первой башни. Испаренная кислота конденсируется во второй башне но уже при более низком температурном потенциале, что позволяет несколько снизить эксплуатационные затраты. В более поздних модернизациях промывного отделения наблюдаются как усложнения, так и упрощения технологических схем. В [3-6] приведены сведения о работе технологической схемы, в которой дополнительно вводится отдувочная башня. В [7-9] приведены сведения о работе укороченной схемы промывного отделения: в этой схеме обжиговый газ после второй промывной башни проходит последовательно два мокрых электрофильтра, а промывная кислота также подвергается отдувке от диоксида серы. В каждом из этих аппаратов из газа выделяются пыль, оксиды селена, теллура и мышьяка, а также и другие каталитические газы.
Все рассмотренные схемы содержат типовые аппараты. Чаще всего первая промывная башня - полая, вторая промывная башня, увлажнительная и отдувочная башни - насадочные. В [10] есть указания на использование полочных аппаратов и промывателей Вентури, но в отечественной практике сернокислотного производства аппараты этих типов практически не используются. Распыление кислот чаще всего осуществляют щелевыми брызгалками и низконапорными центробежными форсунками. Насадка башен - керамические кольца Рашига. В соответствии с рассмотренными схемами ниже изложены основные закономерности очистки газа в аппаратах указанных типов, а также основные свойства аэродисперсных систем, свойств взаимодействующих фаз и методы расчета аппаратов и устройств различных типов.
Математическая модель процесса очистки газа в распылительном аппарате
В промышленности селен применяют для получения селеновых выпрямителей, фотоэлектрических преобразователей, в качестве заменителя марганца в стекольной промышленности. В элементарно-коллоидной форме селен окрашивает стекла от розового до темно-красного цвета. Небольшие количества селена способствуют получению мелкозернистой структуры в литой стали, освобождая ее от дефектов литья и придавая ей хорошую тягучесть. Добавка селена к нержавеющим хромоникелевым сталям улучшает их механическую обработку. Добавки селена в магниево-марганцевые сплавы повышает их коррозионную стойкость. Пигмент сульфоселенида кадмия характеризуется большой стойкостью к нагреву, химическому воздействию и солнечному свету. Применение селена в резинотехнической промышленности позволяет получать резину повышенной эластичности с улучшенной износостойкостью при высоких температурах. Соединения селена с щелочными и щелочноземельными металлами обладают инсектицидными свойствами, органические селеновые соединения применяют в терапии, а селениды тяжелых металлов - для синтеза некоторых органических соединений.
Теллур еще менее распространен в земной коре, чем селен. Однако теллуровые минералы встречаются более часто, чем селеновые [41]. Известно 39 минералов, содержащих теллур. Теллур существует в аморфной и кристаллической формах. По химическим свойствам теллур похож на селен, но имеет более выраженные металлические свойства [43]. При комнатной температуре теллур устойчив к действию воздуха, но при нагревании горит с образованием двуокиси теллура. При комнатной температуре теллур реагирует с галогенами; со многими металлами образует соответствующие теллуриды. Элементарный теллур реагирует с водой при нагревании, не растворяется в сероуглероде и слабо растворяется в разбавленной соляной кислоте. В концентрированной и разбавленной азотной кислоте теллур окисляется. С концентрированной серной кислотой образует соответствующую соль. В концентрированных щелочах теллур подвергается реакции диспропорционирования. В реакциях теллур проявляет как окислительные, так и восстановительные свойства. Теллуроорганические соединения получают аналогично органическим соединениям селена. С кислородом теллур образует три оксида. Наиболее прочным соединением является диоксид теллура, который кипит и плавится без разложения. Диоксид теллура характеризуется амфотерными свойствами и относительно легко восстанавливается до элементарного теллура сильными окислителями [42].
Наиболее широкое применение теллур находит в качестве добавки к свинцу с целью улучшения его антикоррозионных и механических свойств. Добавка небольших количеств теллура к холоднокатаной меди улучшает ее теплостойкость, небольшие добавки к оловянистым баббитам повышают их твердость, прочность и износоустойчивость. В радиоэлектронике теллур находит применение в качестве добавок в сплавы с высоким электрическим сопротивлением и как детекторный металл в радиоприборах. В керамической и стекольной промышленности соединения теллура используются в качестве красителей, в резинотехнической промышленности теллур используется для вулканизации. Элементарный теллур, теллуриты металлов и йодистый теллур применяются в качестве катализаторов при синтезе органических соединений и в процессах переработки нефти [42].
Мышьяк содержится в земной коре также в незначительных количествах [43]. Встречается он главным образом в составе сернистых минералов - реальгара, аурипигмента, серного колчедана, арсенопирита, лоллингита, никелевых колчеданов, шпейсовом кобальте, герсдорфите, теннантите, мышьяково-серебрянной обманке, энаргите и некоторых других. Подобно фосфору мышьяк встречается в нескольких модификациях. Обычная форма - металлический или серый мышьяк. Мышьяк возгоняется, не плавясь, при 633 С. При 36 атмосферах он плавится при 817 С. Состав пара при температурах до 1800 С соответствует учетверенной молекуле, а при более высоких температурах - удвоенной молекуле. При нагревании в присутствии кислорода мышьяк сгорает с образованием белого дыма, имеющего чесночный запах и состоящего из паров удвоенных молекул оксида мышьяка. Концентрированная серная кислота, разбавленная азотная кислота, а также кипящие щелочи окисляют мышьяк до мышьяковистой кислоты. Концентрированная азотная кислота и царская водка - до мышьяковой кислоты. При обжиге сернистых руд образуются пары трехокиси мышьяка, которые легко восстанавливаются до мышьяка. Триоксид мышьяка умеренно растворим в воде: при 0 С в 100 г воды растворяется 1,2 г мышьяка, а при 25 С - 2,1 г. При растворении образуется мышьяковистая кислота, которая существует только в водных растворах. Она может диссоциировать не только как кислота, но и как основание. Арсениты щелочных металлов очень хорошо растворимы в воде, щелочноземельных - умеренно, тяжелых - практически нерастворимы. Металлический мышьяк используют главным образом для изготовления ружейной дроби. В сельском хозяйстве мышьяк применяется для борьбы с вредителями, в стекольной промышленности - для осветления стекол. Кроме того мышьяк и его соединения применяют в медицине, для изготовления красок и фейерверков, в кожевенной промышленности - для снятия волоса со шкур.
Сернокислотные шламы получаются в процессе очистки обжиговых газов от примесей. Элементарные суспензированные селен и теллур осаждаются вместе с пылью в отстойниках и холодильниках первой и второй промывных башен, образуя селеносодержащие шламы. Мышьяк также осаждается в отстойниках и холодильниках этих башен, но чаще всего в окисных или соляных формах. Селен, теллур и мышьяк осаждаются и в мокрых электрофильтрах. Содержание этих элементов в шламах мокрых электрофильтров значительно выше, чем в шламах промывных башен. Для предотвращения забивания тепло-обменной аппаратуры и насадки башен часть промывных кислот отводят из промывного цикла. Промывные кислоты разбавляют, отфильтровывают осадок, промывают его разбавленной соляной кислотой в которую переходят не только мышьяк, но и абсолютное большинство всех растворимых компонентов шламов. Раствор соляной кислоты отправляют на выделение мышьяка, а обогащенные селеном и теллуром шламы, в зависимости от технологического оформления сернокислотной системы, либо перерабатывают на месте с получением концентратов селена и теллура, либо отправляют на переработку на специализированные предприятия [43].
Уравнения для расчета процесса удаления аэрозолей при взаимодействии фаз
Из рис 4.3 видно, что диапазон оптимальных плотностей первой башни лежит в интервале от 9 до 11 м/час. Из рисунка 4.4 также видно, что увеличение плотности орошения первой башни повышает эффективность работы всего промывного отделения в целом, а также можно сделать вывод о том, что увеличение плотности орошения первой башни свыше 12 м/час не приводит к интенсификации. процесса очистки обжигового газа.
Пары оксидов селена и мышьяка абсорбируются на: каплях распыляемой в первой башне кислоты; каплях образовавшегося тумана; каплях унесенных из аппаратов; пленках кислоты, стекающих по насадкам. В общем случае содержание оксидов селена и мышьяка в газе определяется не только их содержанием в обжиговом газе и каплях тумана, но и их содержанием в орошающих башни кислотах. Расчеты показали на необходимость учета брызгоуноса из аппаратов при расчете содержания этих веществ в газе. Результаты расчетов отражены в табл. 4.14.
Для предотвращения накопления в сборниках кислот значительных количеств осадков и забивания теплообменной аппаратуры из промывного цикла рекомендуется выводить кислоту в количестве 3 - 10 % от количества орошающих кислот [41].
Расчеты, проведенные для условий вывода из промывного цикла кислот в количестве 5 % от орошающих башни кислот, показали, что содержание в "бедных" шламах оксидов селена и мышьяка составляет 3 и 46 % мас, в "богатых" - 53 и 45 % мае. соответственно. Эти результаты расчетов хорошо согласуются с литературными данными. 1. Развиты научные основы процессов пыле- и газоочистки в промывном отделении сернокислотного производства на основе метода математического моделирования и дополнительных экспериментальных данных по процессам. 2. Проведен анализ процессов пыле - и газоочистки в промывном отделении и разработана математическая модель процесса, учитывающая: - процессы, протекающие как в аппаратах, так и в газоходах; - удаление пыли при одновременном протекании процессов тепло - и массопереноса; - изменение по высоте аппаратов и длине газоходов количественных характеристик ансамблей аэродисперсных частиц, таких как их масса, размер и число; - удаление из газов оксидов селена и мышьяка; - образование тумана серной кислоты; 3. Обработка экспериментальных данных показала возможность использования нормально-логарифмического закона для описания распределения частиц пыли по размерам после печей кипящего слоя. 4. Полученные при обработке экспериментальных и литературных данных коэффициенты уравнений, применяемых для расчетов равновесных давлений и физико-химических свойств растворов серной кислоты, позволяют в широком диапазоне изменения температуры и концентрации кислоты рассчитывать эти характеристики с достаточной точностью. 5. С помощью математической модели показано, что: - основным механизмом пылеулавливания является кинематический; - образование тумана происходит в первой промывной башне по гетерогенному механизму при температуре газа около 170 С; - на качество очистки от аэрозольных частиц существенно влияет брыз гоунос из аппаратов; - удаление из газа паров оксидов селена и мышьяка может быть описано уравнениями для абсорбции хорошо растворимых газов с использованием поверхностных коэффициентов массопередачи; - расчет коэффициентов диффузии компонентов газовой фазы необходимо проводить с учетом перекрестных эффектов; 6. Анализ результатов расчетов по модели позволяет сделать следующие рекомендации по аппаратурному оформлению и технологическим режимам проведения процесса: - плотность орошения первой промывной башни поддерживать на уров не 9 - 11 м/час; - если содержание соединений фтора в газе невелико, то плотность орошения второй промывной башни можно поддерживать на уровне 5 м/час и ограничить аппаратурное оформление процесса двумя башнями и одним мокрым электрофильтром; - при значительном содержании в газе соединений фтора плотность орошения первых башен можно поддерживать на уровне, указанном выше, а плотность орошения увлажнительной башни поддерживать на уровне 10-12 м/час; - для повышения эффективности удаления из газа соединений фтора, селена, мышьяка и частиц пыли следует отводить из промывного цикла не менее 10 % промывных кислот. 7. Результаты работы переданы АО ТИПРОХИМ" для использования в проектных проработках при модернизации действующих и вновь проектируе мых производств.
Выделение из обжиговых газов оксидов селена и мышьяка
Традиционно серную кислоту из колчеданов получают двумя способами - с одинарным и двойным контактированием. Независимо от способа, образуются запыленные печные газы, которые необходимо очищать от пыли и каталитических ядов. Выходящий из печи газ имеет температуру порядка 850-1000 С и. содержит значительное количество пыли - до 350 г/нм3. Этот газ последовательно проходит котел-утилизатор, циклон и сухой электрофильтр. В практике сернокислотного производства встречаются различные технологические оформления узла мокрой очистки газа. Наиболее изученной и ранее всех реализованной является, теперь уже "классическая", схема очистки запыленных газов [1], изображенная на рис. 1. Обжиговый газ, выходящий из печи "КС", содержит до 300 г/нм3 пыли и имеет температуру примерно 850С. Проходя последовательно котел-утилизатор и циклон обжиговый газ освобождается от грубодисперсной пыли и охлаждается до 300 - 400С. Далее обжиговый газ поступает в сухой электрофильтр, где из него удаляется основное количество пыли. Газ, содержащий мелкодисперсную пыль после сухой очистки, последовательно проходит первую и вторую промывные башни, первый мокрый электрофильтр, увлажнительную башню и второй мокрый электрофильтр. В первой промывной башне из газа удаляется основное количество мелкодисперсной пыли и оксиды селена, теллура и мышьяка. Температура газа после этой башни снижается до 85 - 95С. Из-за присутствия в газе паров воды и три-оксида серы, а также ввиду того что при охлаждении газа распыленной кислотой из нее также выделяются пары серной кислоты, воды и триоксид серы, при охлаждении газа в первой башне наблюдается образование тумана серной кислоты повышенной концентрации. Этот туман частично улавливается каплями распыленной кислоты, а частично выносится с газом из башни. ляются незначительные количества аэрозольных частиц, пары оксидов селена, теллура и мышьяка, а сам газ дополнительно насыщается парами воды. В этой же башне происходит укрупнение аэрозольных частиц и понижается концентрация кислоты в них. Ансамбль аэрозольных частиц состоит из капель образовавшегося в первой башне тумана и мелких капель, унесенных из башен при распылении кислоты. В газоходах между аппаратами протекают процессы укрупнения аэродисперсных частиц и снижение их полидисперсности. В первом мокром электрофильтре газ освобождается от основного количества аэрозольных частиц. Далее газ поступает в увлажнительную башню, в которой происходит дальнейшее насыщение газа парами воды, рост аэрозольных частиц и из газа удаляются фтористые соединения. Финишная очистка обжигового газа осуществляется во втором мокром электрофильтре: содержание в выходящем из него газе аэрозольных частиц и каталитических ядов существенно ниже норм технологического режима. Дальнейшее совершенствование технологической схемы промывного отделения велось по различным направлениям. В [2] указывается на реализацию в промышленных условиях "испарительного" режима работы промывного отделения. Отличие от классической заключается в том, что в первой промывной башне охлаждение газа происходит, в основном, за счет тепла испарения орошающей кислоты. Этим добиваются исключения из схемы холодильников кислоты первой башни. Испаренная кислота конденсируется во второй башне но уже при более низком температурном потенциале, что позволяет несколько снизить эксплуатационные затраты. В более поздних модернизациях промывного отделения наблюдаются как усложнения, так и упрощения технологических схем. В [3-6] приведены сведения о работе технологической схемы, в которой дополнительно вводится отдувочная башня. В [7-9] приведены сведения о работе укороченной схемы промывного отделения: в этой схеме обжиговый газ после второй промывной башни проходит последовательно два мокрых электрофильтра, а промывная кислота также подвергается отдувке от диоксида серы. В каждом из этих аппаратов из газа выделяются пыль, оксиды селена, теллура и мышьяка, а также и другие каталитические газы.
Все рассмотренные схемы содержат типовые аппараты. Чаще всего первая промывная башня - полая, вторая промывная башня, увлажнительная и отдувочная башни - насадочные. В [10] есть указания на использование полочных аппаратов и промывателей Вентури, но в отечественной практике сернокислотного производства аппараты этих типов практически не используются. Распыление кислот чаще всего осуществляют щелевыми брызгалками и низконапорными центробежными форсунками. Насадка башен - керамические кольца Рашига. В соответствии с рассмотренными схемами ниже изложены основные закономерности очистки газа в аппаратах указанных типов, а также основные свойства аэродисперсных систем, свойств взаимодействующих фаз и методы расчета аппаратов и устройств различных типов.
