CC BY
85
DOI: 10.37614/2307-5252.2020.3.4.014 УДК 66
ПРОМЫШЛЕННАЯ И ЛАБОРАТОРНАЯ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ЖИДКОГО СЕРНИСТОГО АНГИДРИДА НА ОСНОВЕ СЕРЫ И КИСЛОРОДА
В. В. Игин1, М. А. Зеленова-Гюльалиева1, К. В. Аксенчик2
1 Научно-исследовательский институт по удобрениям и инсектофунгицидам им. профессора Я. В. Самойлова, Череповец, Россия
2ФГБОУВО «Череповецкий государственный университет», Череповец, Россия Аннотация
Рассматривается промышленная установка получения жидкого сернистого ангидрида на основе серы и кислорода, которая разработана в НИУИФ (патент № 2711642 от 17.01.2020). Принципиальным отличием предлагаемой промышленной схемы является применение технического кислорода вместо воздушного дутья и использование в аппаратурной схеме серной печи и конденсатора паров серы, совмещённых в одном корпусе. Для определения конструктивных параметров оборудования и отработки процессов приведено описание лабораторной установки получения жидкого сернистого ангидрида, разработанной и уже смонтированной в НИУИФ. В настоящий момент на установке проводятся эксперименты с целью наладки режима работы. Ключевые слова:
жидкий сернистый ангидрид, сера, кислород, конденсация, сжигание.
INDUSTRIAL AND LABORATORY TECHNOLOGIES OF LIQUID SULPHUR DIOXIDE PRODUCTION BASED ON SULFUR AND OXYGEN
V. V. Igin1, М. А. Zelenova-Gyulalieva1, K. V. Aksenchik2
1Y. Samoilov Research Institute of Fertilizers and Insectofungicides, Cherepovets, Russia 2Cherepovets State University, Cherepovets, Russia
Abstract
The article tells about the industrial unit for production of liquid sulfur dioxide based on sulfur and oxygen, which has been developed by Research Institute of Fertilizers and Insectofungicides (patent No. 2711642 dated 01/17/2020). The principal difference of the proposed industrial process is the use of technical oxygen instead of FDF and the use of a sulfur furnace and a sulfur vapor condenser combined in one housing. To determine the design parameters of equipment and to master the process, the article describes a lab unit for production of liquid sulfur dioxide, developed by and implemented at Research Institute of Fertilizers and Insectofungicides. At the moment, the lab unit is run to adjust the operating mode. Keywords:
liquid sulphur dioxide, sulfur, oxygen, combustion, condensation.
Потребность в жидком сернистом ангидриде в Российской Федерации в настоящее время находится на уровне 18 000 т/год. Его основными потребителями в РФ и за рубежом являются целлюлозно-бумажные производства. Небольшое количество жидкого сернистого ангидрида используется в винодельческой промышленности в качестве консерванта, а также в производстве хлорсульфированного полиэтилена в качестве реагента.
Производство жидкого сернистого ангидрида (SO2x) в Российской Федерации в настоящее время полностью отсутствует, а потребности в нем полностью удовлетворяются за счет импорта. Средняя цена одной тонны жидкого сернистого ангидрида является достаточно высокой и составляет от 305 до 345 долл. США с колебаниями в этом диапазоне в зависимости от конъюнктуры рынка. Целесообразно возобновление производства этого продукта в необходимом количестве с освобождением от его импорта.
В продолжении начатой работы, результаты которой рассмотрены в [1], была разработана промышленная установка получения жидкого сернистого ангидрида на основе серы и кислорода. Рассмотрим промышленную технологию производства жидкого сернистого ангидрида, которая разработана на основе патента № 2711642 от 17 января 2020 г. [2].
Технологическая схема включает в себя узел плавления и фильтрации серы, серный насос, серную печь, совмещённую с конденсатором паров серы, линию подачи технического кислорода в серную печь, конденсатор диоксида серы, холодильную установку, насос жидкого диоксида серы
и холодильники. Предложенное решение даёт снижение энергозатрат, исключает возможность кристаллизации жидкой серы в оборудовании и тем самым повышает надежность работы установки.
Схема установки представлена на рис. 1. Работа установки заключается в следующем. Кислород подаётся в серную печь, совмещенную с конденсатором паров серы (1), заполненную слоем кипящей жидкой серы, где происходит её горение с недостатком кислорода. После серной печи газообразный диоксид серы и пары серы поступают в конденсатор паров серы, являющийся её продолжением. Охлаждение газовой смеси и конденсация паров серы в конденсаторе осуществляются кипящей котловой водой при избыточном давлении ~ 150 кПа при температуре от 120 до 125 °С. После конденсатора жидкий конденсат серы под действием силы тяжести возвращается в серную печь, в которую осуществляется дозировка жидкой серы. После конденсатора паров серы газообразный диоксид серы доохлаждается в холодильной установке (2) и поступает в конденсатор диоксида серы (3), где происходит его конденсация. Из конденсатора транспортировка жидкого сернистого ангидрида осуществляется насосом (4) через теплообменник (5). Незначительное количество газообразного сернистого ангидрида, содержащегося в сдувках инертных газов из конденсатора диоксида серы, улавливается в санитарной башне (6).
Рис. 1. Установка производства жидкого диоксида серы на основе серы и кислорода
В таблице приведены сравнительные расчётные данные по расходу сырья, материалов и энергоресурсов на одну тонну жидкого сернистого ангидрида, которые подтверждают существенное преимущество предлагаемой технологии в сравнении с существующими.
Сравнительные расчётные данные по расходу сырья, материалов и энергоресурсов на одну тонну
жидкого сернистого ангидрида
Сырье, материалы и энергоресурсы Расход на одну тонну жидкого SO2
существующая технология предлагаемая технология
Сырье
сера техническая, т 0,650 0,503
кислород технический (99,7 %), м3 541* 352,0
Электроэнергия, кВтч 950 25,0
Вода питательная в котёл-утилизатор, м3 3,90 -
Вода питательная в конденсатор паров серы, м3 - 3,90
Вода оборотная на охлаждение SO2-содержащего газа, м3 - 4,5
Антифриз с Т = -65 °С на охлаждение и конденсацию SO2, т 0,75 -
Рассол СаСЬ с Т = -10 °С на охлаждение и конденсацию SO2, т - 0,65
Пар (Р = 0,6 МПа (абс.), Т = 151 °С) на плавление серы, Гкал 0,03 0,03
* 541 м3 — удельный расход кислорода в составе воздуха.
Принципиальным отличием предлагаемой промышленной схемы является применение технического кислорода вместо воздушного дутья и использование в аппаратурной схеме серной печи и конденсатора паров серы, совмещённых в одном корпусе. Благодаря этим решениям в схеме не требуется осушка воздушного дутья и содержащего сернистый ангидрид газа, так как технический кислород и расплавленная сера, подаваемые в реактор-конденсатор, уже свободны от паров влаги. В существующих схемах требуется обязательная осушка воздуха, подаваемого на сжигание серы, а также газа, содержащего сернистый ангидрид.
В технологической схеме установки на производство одной тонны жидкого сернистого ангидрида требуются существенно меньшие энергозатраты, чем в существующих технологиях, так как не требуется применение компрессора для сжатия газа до 7-8 атм и энергозатратной холодильной установки с получением холода до -65 °С. Разработанная промышленная установка может быть реализована на любой производственной площадке без привязки к сернокислотному производству. Отходом производства здесь является небольшое количество образующегося при чистках плавилки и реактора серного кека, вывозимого в отвал. Газообразный диоксид серы, содержащийся в сдувках инертного газа из конденсатора диоксида серы, улавливается в санитарной башне, что делает эту установку экологически чистой.
Рассмотрим лабораторную установку производства жидкого диоксида серы, схема которой представлена на рис. 2. На рис. 3 представлена реальная фотография лабораторной установки, а на рис. 4 — мнемосхема процесса.
Рис. 2. Схема лабораторной установки получения жидкого сернистого ангидрида на основе серы и кислорода
Рис. 3 Фото лабораторной установки получения Рис. 4 Мнемосхема процесса получения жидкого жидкого сернистого ангидрида сернистого ангидрида
Твёрдая сера засыпается в комбинированный реактор поз. КА, где происходит её плавление за счет передачи тепла через стенку от электрической спирали. Комбинированный реактор для получения диоксида серы конструкционно разделен на две части (верхнюю и нижнюю), соединённые между собой фланцевым соединением. Высота всего аппарата достигает 600 мм. Нижняя часть (реактор) представляет собой цилиндрический вертикальный аппарат из нержавеющей стали, в который засыпается твёрдая сера для плавления и последующего сжигания. Реактор оборудован электрической спиралью. Кислород в количестве 1,5-3,0 л/мин подаётся в реактор снизу, в слой жидкой серы, барботированием. Слой жидкой кипящей серы составляет по высоте от 150 до 200 мм. Диаметр реактора — 100 мм, высота — до 250 мм. После того как в нижней части реактора будет расплавлена сера и достигнута температура её зажигания до 250 °С, в реактор начнет подаватьсяся кислород из кислородного баллона поз. Б1 с концентрацией не менее 99,7 % О2 для сжигания жидкой серы в недостатке кислорода. Сжигание серы происходит с полным расходованием кислорода и получением практически 100 %-го газообразного диоксида серы. Регулирование производительности установки осуществляется изменением расхода кислорода в реакторе. При сжигании серы выделяется большое количество тепла (2214,68 ккал/кг 8ж), которое идет на подогрев поступающих в реактор потоков стекающей из конденсатора жидкой серы и подаваемого кислорода до температуры 444,6 °С и в основном на испарение серы, за счёт которого в реакторе устанавливается температура, равная температуре кипения жидкой серы (444,6 °С). Испарение серы в реакторе поддерживает оптимальный режим протекания реакции кислорода с жидкой серой.
Конденсация паров серы, поступающих вместе с образующимся диоксидом серы, происходит в верхней части комбинированного реактора. Верхняя часть реактора (конденсатор) представляет собой кожухотрубный теплообменник, соединённый с нижней частью реактора фланцевым соединением. По межтрубному пространству поступает высокотемпературное силиконовое масло, по трубкам — газообразный диоксид серы и пары серы. В трубках конденсатора происходит охлаждение и конденсация паров серы, которая стекает обратно в реактор. Комбинированный реактор теплоизолируется. Для охлаждения подогретого минерального масла в термостате поз. Е1 предусмотрен режим охлаждения минерального масла.
Работа лабораторного реактора периодическая и заключается в следующем. Реактор загружается твердой серой и монтируется в установке. Далее сера с помощью электрической спирали плавится и разогревается до температуры воспламенения, после чего в реактор подаётся кислород с дальнейшим получением и сжижением сернистого ангидрида. После израсходования серы реактор останавливается, демонтируется, очищается от остатков серы и снова ею загружается.
После конденсатора паров серы сернистый ангидрид проходит через фильтр, в котором улавливаются остатки сублимированной в реакторе серы. Фильтр представляет собой цилиндрический корпус из нержавеющей стали с установкой в нём фильтрующего материала из слоя стекловолокна. Конструкция фильтра разборная для обеспечения возможности снятия и установки фильтрующего материала.
Охлаждённый и освобождённый от паров серы сернистый газ поступает в конденсатор диоксида серы, охлаждающийся антифризом с помощью термостата поз. Е2 с входной температурой от -10 до -15 °С. Конденсатор представляет собой кожухотрубный теплообменник типа «труба в трубе», предназначенный для сжижения газообразного диоксида серы. По межтрубному пространству поступает антифриз, по трубке — газообразный диоксид серы и ее пары. Конденсатор теплоизолируется.
Приём и хранение жидкого диоксида серы производится в приёмном стакане, охлаждающемся антифризом, через рубашку. На стакане имеется крышка с резьбой. Крышка снабжена штуцером с вентилем для забора жидкого диоксида серы из стакана. Диаметр стакана 80 мм, высота 250 мм, диаметр стакана вместе с рубашкой 100 мм.
В настоящий момент установка смонтирована, проводятся лабораторные исследования. Полученный на установке жидкий диоксид серы исследуется на показатели, указанные в ГОСТ 2918-79.
Литература
1. Игин В. В., Зеленова М. А., Аксенчик К. В. Технология производства жидкого сернистого ангидрида на основе серы и кислорода // Труды Кольского научного центра. Химия и материаловедение. 2019. № 3. С. 106-113.
2. Пат. Рос. Федерация 2019105626/05. Установка для получения жидкого сернистого ангидрида от / Зеленова М. А., Игин В. В., Грабун Е. М. 27.02.2019 // Патент РФ. № 271164.
Сведения об авторах
Игин Владимир Васильевич
начальник отдела серной кислоты, кандидат технических наук, Научно-исследовательский институт по удобрениям и инсектофунгицидам им. профессора Я. В. Самойлова, г. Череповец, Россия, VIgin@phoasgro.ru Зеленова-Гюльалиева Марина Александровна
аспирант, Череповецкий государственный университет, г. Череповец; научный сотрудник отдела серной кислоты, Научно-исследовательский институт по удобрениям и инсектофунгицидам им. профессора Я. В. Самойлова, г. Череповец, Россия, MZelenova@phoasgro.ru Аксенчик Константин Васильевич
доцент кафедры химических технологий, кандидат технических наук, Череповецкий государственный университет, г. Череповец, Россия, akskos@mail.ru
Igin Vladimir Vasilievich
Head of Sulfuric Acid Department, PhD (Engineering), Y. Samoilov Research Institute of Fertilizers and Insectofungicides, Cherepovets, Russia, VIgin@phoasgro.ru Zelenova-Gyulalieva Marina Alexandrovna
Postgraduate, Cherepovets State University, Cherepovets, Russia, Researcher at Sulfuric Acid Department, Y. Samoilov Research Institute of Fertilizers and Insectofungicides, Cherepovets, Russia, MZelenova@phoasgro.ru Aksenchik Konstantin Vasilievich
Associate Professor, Department of Chemical Technologies, PhD (Engineering), Cherepovets State University, Cherepovets, Russia, akskos@mail.ru
DOI: 10.37614/2307-5252.2020.3.4.015 УДК 542.61
ЭКСТРАКЦИЯ Fe (III) И Zn (II) ИОННЫМИ ЖИДКОСТЯМИ В СИСТЕМЕ НА ОСНОВЕ ПОЛИПРОПИЛЕНГЛИКОЛЯ 425 И ХЛОРИДА НАТРИЯ
И. В. Зиновьева, М. И. Федорова, Ю. А. Заходяева, А. А. Вошкин
Институт общей и неорганической химии им. Н. С. Курнакова РАН, Москва, Россия Аннотация
Представлены результаты экспериментальных исследований экстракции Fe (III) и Zn (II) ионными жидкостями на основе хлорида и роданида триоктилметиламмония в двухфазной водной системе на основе полипропиленгликоля 425 и хлорида натрия. Из полученных результатов сделан вывод, что данные экстрагенты эффективны для извлечения металлов из водных растворов, а двухфазные водные системы представляют собой «зеленую» альтернативу традиционным экстракционным системам. Ключевые слова:
жидкостная экстракция, двухфазные водные системы, ионные жидкости, соли металлов, коэффициент распределения.
EXTRACTION OF Fe (III) AND Zn (II) BY IONIC LIQUIDS IN A SYSTEM BASED ON POLYPROPYLENE GLYCOL 425 AND SODIUM CHLORIDE
I. V. Zinov'eva, M. I. Fedorova, Yu. A. Zakhodyaeva, A.A. Voshkin
Kurnakov Institute of General and Inorganic Chemistry of the Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia
Abstract
This work presents the experimental study results of Fe (III) and Zn (II) extraction by ionic liquids based on trioctylmethylammonium chloride and rhodanide in an aqueous two-phase system based on polypropylene glycol 425 and sodium chloride. Based on the results obtained, it was concluded that these extractants are effective for the extraction of metals from aqueous solutions, and aqueous two-phase systems represent a "green" alternative to traditional extraction systems. Keywords:
liquid-liquid extraction, aqueous two-phase system, ionic liquids, metal salts, distribution coefficient.
