Исследование процесса сернокислотного разложения флюорита в барабанной вращающейся печи Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 661.487:621.365

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА СЕРНОКИСЛОТНОГО РАЗЛОЖЕНИЯ ФЛЮОРИТА В БАРАБАННОЙ ВРАЩАЮЩЕЙСЯ ПЕЧИ

С.Н. Кладиев, В.П. Пищулин, Ю.В. Трухин, Ю.Н. Дементьев*

Северский государственный технологический институт E-mail: [email protected] *Томский политехнический университет E-mail: [email protected]

Изучен процесс получения безводного фтороводорода термическим разложением плавикового шпата CaF2 серной кислотой и предложена регрессионная модель технологического процесса. Результаты исследования использованы в промышленных технологических установках с барабанными вращающимися печами и шнековыми питателями. Достигнут оптимальный режим получения безводного фтороводорода с минимальным содержанием остаточной серной кислоты.

Основное количество ОТ получают сернокислотным разложением плавикового шпата CaF2 в барабанных вращающихся печах с наружным обогревом с последующей очисткой реакционного газа в промывной колонне, охлаждением его и конденсацией ОТ, ректификационной очисткой конденсата с получением ОТ высокой чистоты [1]. Основной процесс сернокислотного разложения плавикового шпата происходит в соответствии со схемой:

СаЕ2 + И2804 > СаЕ2-Н^О, 70-130 °с >

> СаБ - Ш04 + НЕ Т ш-270 °с > Са804 + 2ИЕ Т .

Содержащиеся в плавиковом шпате примеси: карбонаты кальция, сульфиды кальция и свинца, диоксид кремния и другие, приводят к увеличению расхода серной кислоты, снижению выхода и уменьшению концентрации ОТ в реакционном газе. Наиболее концентрированный по ОТ реакционный газ получается в барабанных вращающихся печах с косвенным электрическим обогревом. Процесс характеризуется низкой степенью реагирования плавикового шпата до 98,5...99,0 %, повышенным расходом серной кислоты, большой длительностью процесса [1].

Управления процессом сернокислотного разложения плавикового шпата в производстве безводного ОТ сводится к минимизации остаточного содержания фторида кальция в отвале при соблюдении наложенных ограничений на переменные процесса. Таким образом, задача построения статистического математического описания состоит в нахождении зависимости показателя остаточного содержания фторида кальция в отвале от входных переменных процесса. В связи с тем, что на температуру реакционного газа на выходе из печи и содержание в отвале серной кислоты наложены ограничения, при нахождении оптимальных значений входных переменных необходимо, чтобы эти ограничения тоже выполнялись. Для этого требуется разработка математических уравнений, связывающих значения содержания серной кислоты в отвале и температуры реакционного газа со значениями входных переменных процесса.

Для интенсификации процесса получения ОТ предложено:

- повысить температуру в первой зоне греющей камеры;

- осуществить предварительный нагрев серной кислоты;

- обеспечить возврат отвального гипса в голову процесса;

- добавить ОТ в рабочую смесь кислот (до

8,5.10,0 мол. %);

- применить поверхностно-активные вещества (до 0,02.0,04 % от количества серной кислоты);

- использовать прямой электрический нагрев реакционной массы плавикового шпата и рабочей смеси кислот [2].

Важную роль на процесс сернокислотного разложения плавикового шпата оказывает температура процесса.

Для создания малоотходной и энергосберегающей технологии разработано устройство непрерывного измерения температуры реакционной массы по длине барабана внутри него. Разработан способ получения фтороводорода, позволяющий сократить продолжительность процесса, тепломассообменный аппарат (рисунок), обеспечивающий повышение точности управления, и специальное устройство, уменьшающее инерционность процесса сернокислотного разложения за счет быстрого прогревания реакционной массы до 70.100 °С и ее перехода в сыпучее состояние.

Регрессионная модель сернокислотного разложения плавикового шпата

Из анализа данных, полученных в результате исследования процесса термического сернокислотного разложения плавикового шпата, в качестве входных переменных были выбраны следующие технологические факторы, имеющие наибольшую степень влияния на производительность печи:

Входные переменные процесса: 0СаР1 - массовый расход CaF2; СНр/СН^04 - отношение массового расхода ОТ к массовому расходу серной кислоты рабочей смеси кислот; - отношение массово-

го расхода в рабочей смес2и4кислот серной кислоты

12

т 1

т _шн 1

Т-7—7-

\

оУш

ам'

17

Рисунок. Тепломассообменный аппарат для сернокислотного разложения плавикового шпата: 1) барабан; 2) передняя загрузочная головка; 3) перемешивающее устройство; 4) задняя разгрузочная головка; 5) венцовая шестерня; 6) бандаж; 7) транспортная труба; 8) улита; 9) шнек-питатель; 10) штуцер загрузки плавикового шпата; 11) штуцер подачи серной кислоты; 12) штуцер удаления газообразных продуктов; 13) сальниковое уплотнение; 14) защитная труба для вывода соединительных проводов; 15) ось регулируемой стойки; 16) бобышка подвижной опоры; 17) патрубок задней разгрузочной головки; 18) электроды с термочувствительными элементами

к массовому расходу плавикового шпата; ¡1р, ^

- температура в первой, второй и третьей зоне греющей камеры.

Выходные переменные процесса: хСар2 - содержание фторида кальция в отвале; хн^о4 - содержание в отвале серной кислоты; Iр - температура реакционного газа на выходе из печи; /ь /2, /3 - температура реакционной массы в первой, второй и третьей зоне обогрева печи.

В качестве регрессионной модели, отображающей зависимость между регулируемыми параметрами и регулирующими воздействиями, входными и режимными параметрами используется совокупность уравнений.

^»4 = 5,2+0,3^ -65,5-

си

си

-+11,7--

Он

Ос

+0,03 - ¿1 + 0,006 - (ОсаР )2 - 32,1 -

Он

Ос,

с

с

-1,1 - ¿1 -

Он

Ос.

-+0,14 - ¿2

Он

/ = 152,1 -169,3 -

сн

Сн

+0,02 - О_ + 212,2 -

— 31,5--

Он

Ос.

Ос.

- + 0,18 - ¿2 + 0,05 - Д +

Он

Ос

+ 0,07 - - Ос„с +

+3,7 - Ос.

-39,9 -

О„

Ос.

С,

О„

-7,9 -

Он

Ос,

Ос,

--0,01(О_)2 - 4,7-

Он

Ос,

+1,0003 - ¿22 + 0,0004 - ¿2 + 0,001 -1 - ОсяР - 0,06 - ¿2

Сн

Регрессионные уравнения устанавливают зависимость между температурой реакционного газа, остаточным содержанием серной кислоты и фторида кальция в отвале, расходами плавикового шпата и смеси кислот, температурами реакционной массы в зонах нагрева и концентрациями фто-роводорода и серной кислоты в смеси кислот.

Ограничения наложены на: массовые расходы входных потоков; режимные параметры; температуру реакционного газа; остаточное содержание фторида кальция в отвале, а также характеристики состава входных потоков.

При выполнении условий ограничения на:

- массовые расходы входных потоков, кг/с

О™ = 0,21...0,29;

Он,о4 = 0,22...0,40;

- режимные параметры печи, °С

= 50...100; =140.210; = 210...270;

¿1гр = 560...580;

¿2гр = 570...600;

¿Зр = 460...560;

5

- температуру реакционного газа, °С

¿рг = 160...190;

- остаточное содержание фторида кальция и серной кислоты в отвале, мас. доли

хсаГ = 0,002...0,02; хн 30 = 0,005...0,015;

- характеристики состава входных потоков, мас. доли

Снг = 0,068...0,089;

С&Р2 = 0,95...0,96;

СНг304 = 0,89...0,92,

возможно приготовление оптимальной по составу рабочей смеси кислот:

Н2804 - 89,50.91,44 %;

НБ - 8,32.9,56 %;

Н20 - 0,24.0,50 %.

При этом в производстве фтороводорода на печах с внешним электрическим обогревом степень термического разложения флюорита достигает 99,1.99,3 % при одновременном снижении содержания серной кислоты в отвальном гипсе до 4,0...9,0 % и уменьшении расходных коэффициентов по флюориту сорта ФФ95А до 2,17.2,20 т, а также серной кислоты в пересчете на моногидрат

3,0 т на 1,0 т фтороводорода [3].

Выводы

Проведены промышленные исследования процесса получения фтороводорода в барабанных вращающихся печах. Получены регрессионные уравнения, пригодные для автоматизированного управления процессом. Установлены оптимальные условия процесса получения фтороводорода, обеспечивающие степень разложения флюорита 99,1.99,3 %.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Зайцев В.А., Новиков А.А., Родин В.И. Производство фтористых соединений при переработке фосфатного сырья. - М.: Химия, 1982. - 248 с.

2. Исследование кинетики термической переработки фторсерно-кислых растворов / Пищулин В.П., Гришин С.Н., Зарипо-

ва Л.Ф.; Томский политехнический ин-т. - Томск, 1988. - 23 с. Деп. в ОНИИТЭХИМ, г. Черкассы, 22.06.1988, № 758 хп - Д88.

3. Kerbel B.M., Pishchulin V.P., Kladiev S.N. Digital control algorithm of the chemical engineering plant for production of anhydrous hydrogen fluoride // The 4th Intern. Conf. for conveying and handling of particulate solids. - Budapest, 2003. - P. 2.35-2.37.

УДК 661.879:621.039.54

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА ТЕРМИЧЕСКОГО РАЗЛОЖЕНИЯ В БАРАБАННОЙ ВРАЩАЮЩЕЙСЯ ПЕЧИ

В.П. Пищулин, В.Н. Брендаков

Северский государственный технологический институт E-mail: [email protected]

Рассмотрены вопросы, связанные с созданием математической модели процесса термического разложения полиуранатов аммония. Путем сделанных допущений получена система уравнений, описывающая замкнутый цикл основных процессов, происходящих в барабанной вращающейся печи. Представлен алгоритм расчета температуры и степени термического разложения полиуранатов аммония, который позволяет проводить оптимизацию параметров и режимов работы барабанной вращающейся печи на основе методов математического моделирования.

Одним из основных промышленных методов производства оксидов урана является метод химической денитрации уранилнитрата. Поэтому исследование процесса термического разложения полиура-натов аммония имеет большое практическое значение. Одним из ключевых конструктивных элементов такой технологии является барабанная вращающаяся печь. Термическая диссоциация полиуранатов аммония является весьма сложным процессом, и вследствие этого, несмотря на многочисленные данные о таком процессе, до сих пор не существует общепринятых закономерностей, описывающих его.

Во-первых, различные данные имеют противоречивый характер, и, во-вторых, реальный экспе-

римент связан с большой стоимостью и высокой сложностью его выполнения. Исходя из этого, становится оправданным использование методов математического моделирования, достоверно описывающих реальные процессы, происходящие в барабанной вращающейся печи. Создаваемые модели могут быть использованы для проведения численных экспериментов, позволяющих решить задачи по оптимизации режимно-геометрических параметров самого устройства и выявлять факторы, оказывающие существенное влияние на процесс прокаливания полиуранатов аммония.

Ввиду большой сложности описания математически точно всех процессов, протекающих в бара-