CC BY
93
Н. А. Бортникова, И. А. Махоткин, К. А. Павлова,
Ю. Н. Сахаров, Д. Р. Шамсин
МЕХАНИЗМ, КИНЕТИКА И СПОСОБ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПРОЦЕССА ХЕМОСОРБЦИИ
SO2 СОДОВЫМ РАСТВОРОМ
Ключевые слова: сульфит натрия, хемосорбция, диоксид серы, вихревой абсорбер.
Предложен способ интенсификации процесса хемосорбции SO2 содовым раствором за счет применения эффективных вихревых аппаратов с нисходящим потоком взаимодействия фаз.
Keywords: sodium sulfite, chemisorption, sulfur dioxide, the vortex absorber.
Provides a method of intensifying the process of chemisorption of SO2 soda solution through the use of effective vortex devices downdraft interaction phases.
При создании новых аппаратов для интенсификации производства солей сульфитного ряда большое значение имеет правильное описание механизма и кинетики протекающих реакций. Создание непрерывной технологии производства солей сульфитного ряда сдерживается отсутствием эффективных аппаратов для интенсификации процессов хемосорбции БО2.
Для интенсификации процессов
хемосорбции БО2 в производстве сульфита натрия необходимо заменить действующие тарельчатые абсорберы на более эффективные аппараты. Абсорбер при этом должен обеспечивать высокую надежность технологии в широком диапазоне изменения расхода газа.
В основу производства сульфита натрия положена химическая реакция взаимодействия раствора Ыа2СО3 с сернистым газом [1].
Характерной особенностью данной реакции является последовательность ряда промежуточных реакций. На первой стадии реакции при взаимодействии раствора Ыа2СО3 с сернистым газом образуется раствор, содержащий
одновременно смесь бикарбоната натрия ЫаНСО3 и сульфита натрия Ыа2БО3:
2Na2C03+S02+H20 = 2NaHC03+Na2S03 (1)
2ЫаНС^ +302 = №2303 +1^0+2С02 (2)
По материальному балансу реакций (1, 2,) суммарной реакцией образования сульфита натрия является реакция :
Ыа2С03 + 502 = Ыа2803 + С02 (3)
№2303 +502 + Нр=22аНЗОэ (4)
Экспериментальное исследование кинетики хемосорбции БО2 водными растворами Ыа2СО3, ЫаИСО3, Ыа2БО3, ЫаИБО3 показало, что скорость процесса хемосорбции БО2 для различных моделей аппаратов описывается одним обобщающим уравнением:
QS02 -KXFX PSq2 (5)
где К - константа скорости процесса;
Р - площадь поверхности контакта фаз;
Рдо2 - концентрация БО2 в газе.
Зависимость константы скорости процесса от скорости газа (отнесенный к сечению аппарата) имеет вид:
Экспериментальное исследование кинетики процесса хемосорбции Э02 в этих условиях показало, что на скорость хемосорбции Э02 существенно влияет концентрация Э02 в газе и величина площади поверхности контакта фаз. Величина концентрации Ыа2С03, ЫаНС03 и Ма2Э03 практически не влияет на скорость хемосорбции Э02
Следует отметить, что в производстве сульфитных солей особое специфичное требование заключается в предотвращении образования осадка солей на стенках аппарата. В предложенных вихревых аппаратах осадка не образуется благодаря активному гидродинамическому режиму взаимодействия фаз. В процессе хемосорбции Э02 остаток ЫаНС0з исчезает лишь на второй стадии химической реакции:
К = ах \№&. (6)
Зависимость константы скорости от концентрации реагирующих компонентов в жидкости имеет вид:
К = ах[Ма2С03]°, (7)
К = а х [ЫаНС03]0, (8)
К = ах[Ма2803]°. (9)
Кажущаяся величина энергии активации близка к нулю. Изменение температуры процесса в диапазоне 30-60оС практически не влияет на величину константы скорости процесса хемосорбции БО2. Последнее объясняется тем, что увеличение скорости реакции компенсируется
уменьшением растворимости БО2 в жидкости. Сама химическая реакция является быстрой и протекает на поверхности раздела фаз. Следовательно, для интенсификации непрерывного процесса хемосорбции БО2 большого объема жидкости в аппарате не требуется. В абсорбере БО2 требуется высокая степень циркуляции жидкости с быстрым обновлением активной поверхности контакта фаз. Однако для предотвращения быстрого пересыщения раствора сульфитом натрия и предотвращения процесса образования мелких кристаллов требуется увеличение объема жидкости на ступени, естественно с интенсивной абсорбцией БО2 и циркуляцией жидкости.
По модели Данквертса величина коэффициента массоотдачи представляет собой отношение:
D
К = — , (10)
5
где й - коэффициент диффузии;
б - толщина пленки жидкости около границы раздела фаз.
По модели Хигби величина коэффициента массоотдачи представляет собой отношение:
К = аЛ-, (11)
где а - константа;
й - коэффициент диффузии; т - время контакта фаз.
Уравнения (10,11) подтверждают, что для интенсификации процесса хемосорбции БО2 необходимо уменьшать время обновления поверхности контакта фаз, увеличивать степень турбулизации фаз и увеличивать площадь поверхности контакта фаз [2].
Следует отметить, что быстрое обновление поверхности контакта фаз требует определенных энергетических затрат. С ростом скорости газа в любом аппарате увеличивается гидравлическое сопротивление, и возрастают энергозатраты. При оптимизации с учетом капитальных и эксплуатационных затрат применяют критерий Майкова:
К
Ма =-----, (12)
23
где К - коэффициент массопередачи в аппарате; £3 - сумма капитальных и эксплуатационных затрат [3].
Максимальное значение величины критерия Майкова для процесса хемосорбции БО2 обеспечивают аппараты вихревого типа. Аппараты вихревого типа с восходящим способом взаимодействия фаз могут работать без насоса для циркуляции жидкости и являются наиболее
компактными [4]. Аппараты с нисходящим
способом взаимодействия фаз эффективно работают в более широком диапазоне изменения расхода газа (от нуля до максимального значения). Поэтому мы рекомендуем для интенсификации процесса
хемосорбции БО2 применять вихревые аппараты с нисходящим способом взаимодействия фаз.
Вихревой абсорбер с нисходящим способом взаимодействия фаз обеспечивает величину коэффициента полезного действия до 99%. [5,6] Два вихревых одноступенчатых абсорбера с нисходящим способом взаимодействия фаз,
установленных последовательно, обеспечивают высокую степень хемосорбции БО2.
Выводы
1) Процесс хемосорбции БО2 содовым раствором представляет собой гетерогенный физико-химический процесс с быстрыми последовательно протекающими реакциями на границе раздела фаз.
2) Скорость процесса хемосорбции БО2 практически не зависит от концентрации в растворе: Ыа2СО3, ЫаНСО3 и Ыа2БО3. При этом уравнение скорости процесса от концентрации перечисленных компонентов является уравнением нулевого порядка.
3) Скорость процесса прямо пропорциональна произведению величины площади поверхности контакта фаз и концентрации БО2 в газе. Скорость процесса хемосорбции БО2 практически не зависит от температуры.
4) Для интенсификации процесса хемосорбции БО2 важнейшим является кратность обновления площади поверхности контакта фаз. Этим требованиям удовлетворяют аппараты вихревого типа. При относительно небольшом расходе по газовой фазе наиболее перспективными являются вихревые аппараты с восходящим способом взаимодействия фаз. Для создания аппаратов с большой производительностью и обладающих повышенной надежностью в широком диапазоне изменения расхода газа наиболее перспективными являются вихревые аппараты с нисходящим способом взаимодействия фаз.
5) При проектировании промышленной установки хемосорбции БО2 на основе компактных одноступенчатых аппаратов установка должна состоять из двух последовательно соединенных вихревых аппаратов.
Литература
1) Т.Д Авербух. Технология сульфитов / Т.Д. Авербух, А.Е. Телепнева, И.Г. Бляхер, М.С. Гофман. М.: Химия, 1984. - 175 с
2) И.А. Махоткин, Автореф. дисс. канд. хим. наук, Казан. национ. тех. ун-т, Казань, 2011. 17с.
3) В.М. Рамм. Абсорбционные процессы в химической промышленности. М.: Ленинград, 1951. - 351 с
4) Пат. 2287359 Российская Федерация, МПК Б01Б 53/18, Б01Б 47/06, Б01Б 3/30. Вихревой аппарат для проведения физико-химических процессов с
нисходящим потоком фаз/Махоткин А.Ф., Халитов Р.А., Седов Б.С., Ерлыков В.Л., Махоткин И.А.; заявитель и патентообладатель Еврохим. - № 2004134710/15; заявл. 30.11.2004; опубл. 20.11.2006, Бюл. № 32. - 4с.
5) Старкова А.В. Закономерности кинетики химических реакций, протекающих при хемосорбции углекислого газа щелочными растворами, и разработка высокоэффективного аппарата для интенсификации процесса / Старкова А.В., Махоткин А.Ф., Балыбердин
А.С., Махоткин И.А. // Вестник Казанского
национального технологического университета. -2011. -№ 15.-С.62-71
6) Петров В.И. Исследование массоотдачи в жидкой фазе вихревых контактных устройств с нисходящим потоком фаз для многоступенчатых аппаратов // Вестник
Казанского национального технологического университета. -2011. - № 21.-С.180-185
© Н.А. Бортникова - магистрант каф. оборудования химических заводов КНИТУ, brtnikva.natasha@rambler.ru; И. А. Махоткин - к.т.н., ст. препод. той же кафедры; К. А. Павлова - аспирант той же кафедры; Ю. Н. Сахаров - н.с. той же кафедры; Д. Р. Шамсин - ген. директор ОАО «Химический завод им. Л.Я. Карпова».
