CC BY
213
Р. А. Халитов, И. А. Махоткин, А. Ш. Шарипов,
О. В. Царева, Е. А. Махоткина
РАЗРАБОТКА И РЕЗУЛЬТАТЫ ВНЕДРЕНИЯ ВИХРЕВОГО МОНОГИДРАТНОГО АБСОРБЕРА ТРИОКСИДА СЕРЫ В ПРОИЗВОДСТВО СЕРНОЙ КИСЛОТЫ
Ключевые слова: вихревой моногидратный абсорбер, серная кислота.
Известные массообменные аппараты абсорбции триоксида серы в производстве серной кислоты в виде насадочных башен громоздки и дороги. Предлагается принципиально новый высокоэффективный вихревой аппарат без насадки. При равной производительности и равном гидравлическом сопротивлении материалоемкость вихревого аппарата меньше материалоемкости наса-дочной колонны более чем в десять раз при более высокой эффективности и надежности. Новый подход к интенсификации абсорбции газов в производстве серной кислоты не имеет ограничений по производительности.
Keywords: whirlwind monohydrated absorber, sulfuric acid.
Known mass exchange devices of SO3 absorption in sulfuric acid’s production packed as towers are huge and expensive. The essentially new high performance whirlwind device without a nozzle is offered. At equal productivity and equal hydraulic resistance material volume of whirlwind device there is less material volume of a packed column more than ten times at more high performance and reliability. The new approach to intensification of gases absorption in sulfuric acid’s production has no restrictions on productivity.
В технологии производства серной кислоты контактным методом одной из основных стадий является стадия абсорбции триоксида серы 98,6%-ной серной кислотой в мо-ногидратном абсорбере насадочного типа. Содержание триоксида серы в газах, поступающих в моногидратный абсорбер, составляет 7 - 9 % об. Температура газов 170 - 230°С. Серная кислота подается погружными насосами из сборника, через холодильники, в верхнюю часть насадочной башни. В холодильниках она охлаждается до 40 - 50°С. В абсорбере по мере поглощения SO3 концентрация и температура серной кислоты увеличиваются. Укрепленная серная кислота стекает в сборник, из которого отводится в виде продукционной кислоты.
Абсорбция триоксида серы является тепломассообменным процессом и сопровождается выделением значительного количества тепла. В интервале температур 60 - 100°С количество тепла, выделяющегося при растворении SO3, составляет 717,5^785 кДж/кг SO3. Снижение температуры орошающей кислоты в абсорбере приводит к увеличению степени абсорбции SO3 [1]. Триоксид серы является легкорастворимым газом и для его абсорбции необходима всего одна ступень контакта фаз. При абсорбции легкорастворимых газов основное сопротивление массопередаче сосредоточено в газовой фазе, и коэффициент массопередачи принимается равным коэффициенту массоотдачи в газовой фазе
(вг). Для интенсификации абсорбции SO3 необходимо увеличение степени турбулизации газовой фазы и площади поверхности контакта фаз. С увеличением поверхности насадки возрастают размеры абсорбционных насадочных башен, и повышается их стоимость. Увеличение скорости газа по аппарату приводит к возрастанию брызгоуноса и гидравлического сопротивления насадочных башен. В связи с этим большое практическое значение имеют способы повышения эффективности абсорбции за счет увеличения рг. Увеличение вг возможно за счет применения высокоинтенсивных способов взаимодействия газовой и жидкой фаз, осуществляемых в распылительных аппаратах типа труба Вентури или в вихревых аппаратах. Известно, что вихревые аппараты обладают высокими значениями коэффициентов массоотдачи в газовой фазе [2]. Более высокими значениями коэффициентов массоотдачи обладают распылительные аппараты типа труба Вентури, однако их применение для абсорбции триоксида серы сдерживается большим гидравлическим сопротивлением. Поэтому для интенсификации процесса абсорбции триоксида серы наиболее подходят вихревые аппараты.
Большая скорость взаимодействующих потоков в вихревых аппаратах вызывает резкую интенсификацию тепломассообмена, а наличие вращательного движения обеспечивает надежную сепарацию жидкости от газа после контактирования. Вихревые аппараты могут быть выполнены как с восходящим, так и с нисходящим движением газожидкостного потока. Организация способа взаимодействия фаз в вихревом устройстве определяется гидравлическим сопротивлением аппарата. В технологической цепочке производства серной кислоты гидравлическое сопротивление моногидратного абсорбера не должно превышать 3 кПа. Зависимость гидравлического сопротивления вихревого контактного устройства (ВКУ) от изменения скорости газа в щелях завихрителя представлена на рис. 1. Видно, что гидравлическое сопротивление ВКУ с нисходящим прямотоком газовой и жидкой фаз меньше, чем у ВКУ с восходящим прямотоком.
В аппаратах с нисходящим прямотоком жидкость и газ в зоне контакта движутся сверху вниз. Поэтому эти аппараты могут работать в широком диапазоне нагрузок как по жидкости, так и газу. Энергия газового потока в них затрачивается, главным образом, на создание активной межфазной поверхности.
Для Кингисеппского ООО ПГ «Фосфорит» разработана конструкция вихревого моногидратного абсорбера, представленная на рис. 2. Работа вихревого абсорбера основана на принципе взаимодействия газовой и жидкой фаз в вихревом нисходящем газожидкостном потоке. Основным элементом вихревого абсорбера является вихревое контактное устройство, состоящее из тарелки и завихрителя газового потока. Всего в абсорбере установлены три вихревых контактных устройства. Газы, содержащие 7 - 9 % триоксида серы при температуре 170 - 230°С, поступают через тангенциальный газоход 7 в верхнюю часть абсорбера. Для предотвращения коррозии корпуса абсорбера предусмотрено охлаждение газов в газоходе и в верхней части абсорбера. При движении по газоходу 7 газовый поток орошается из форсунок 9 охлажденной серной кислотой. На орошение форсунок подается серная еислота с расходом 200 т/час. При этом происходит абсорбция SO3 серной кислотой и охлаждение газового потока. Образующийся в газоходе газожидкостный поток поступает в абсорбер и приобретает вращательное движение. В верхней части абсорбера газовый поток орошается серной кислотой из форсунок 11 и 12, расположенных на крышке абсорбера. Расход серной кислоты в них составляет 400 т/ч. При этом происходит взаимодействие газовой и жидкой фаз как на поверхности капель, образующихся при распыливании жидкости, так и при ударе их о поверхность корпуса аппарата и крышку завихрителя. Далее вращающийся газожидкостный поток поступает в завихритель 5 первого вихревого устройства.
6000
и
300
100 _______________ І І II II
1,0 2,0 3,0 4,0 6,0 3,0 10,0
Скорость газа, м/с
Рис. 1 - Зависимость гидравлического сопротивления вихревого контактного устройства от скорости газа в аппарате: 1 - сухое ВКУ; 2 - ВКУ с нисходящим прямотоком при расходе жидкости L = 6 м3/ч; 3 - сопротивление ВКУ с восходящим прямотоком при L = 6 м3/ч
Рис. 2 - Вихревой абсорбер: 1- корпус; 2 -крышка; 3 - днище; 4 - тарелка; 5 - за-вихритель; 6 - контактный патрубок; 7, 8 - газоход; 9 - коллектор газохода; 10 - коллектор завихрителя; 11- центральная форсунка; 12- коллектор; 13 - патрубок; 14 -люк-лаз
Завихритель (Д = 2000 мм, Н = 1200 мм ) разделен установленными по высоте перегородками, на три равные части. Крышка завихрителя выполнена с кольцевым буртиком на периферии и кольцевой прорезью, расположенной над лопатками. Перегородки также выполнены с кольцевыми буртиками и прорезями. В нижней части завихрителей первой и второй контактных устройств установлены конические обечайки, а на завихрителе третье-
го устройства - цилиндрическая обечайка 6. Крышка завихрителя первого вихревого устройства постоянно орошается кислотой, распыленной форсунками 11 и 12. При этом основная часть кислоты стекает через кольцевые прорези на крышке и перегородках, образуя сплошной слой стекающей между лопатками завихрителя жидкости. Оставшаяся часть кислоты переливается через буртик и в виде кольцевого слоя стекает по наружной поверхности завихрителя.
Закрученный газовый поток с диспергированной серной кислотой поступает через щели, образованные тангенциально расположенными лопатками 5 завихрителя, внутрь за-вихрителя. При этом газовый поток пронизывает кольцевые слои жидкости, стекающие по наружной поверхности завихрителя и между его лопатками. Внутренний объем и лопатки завихрителя непрерывно орошаются каплями и струями, образующимися при распылива-нии кислоты из шести форсунок, установленных внутри завихрителя. Внутри завихрителя газожидкостный поток приобретает вращательное движение и движется в нисходящем потоке вниз, непрерывно орошаясь распыленной серной кислотой. Расход кислоты, подаваемой на орошение через форсунки первого по ходу газа завихрителя, составляет 2GG т/ч, второго и третьего - по 5G т/ч. Далее вращающийся газожидкостный поток поступает на второе по ходу газа вихревое контактное устройство абсорбера. Основная масса жидкости в виде вращающегося слоя стекает по внутренней поверхности конической обечайки на крышку завихрителя нижележащего вихревого устройства. Движение кислоты в вихревом абсорбере организовано таким образом, что она проходит на каждом вихревом контактном устройстве несколько зон контакта фаз. Высокоинтенсивное взаимодействие газовой и жидкой фаз сохраняется при прохождении газового потока в нисходящем потоке через все вихревые устройства.
На рис. 3 представлена схема движения жидкости и газа в вихревом контактном устройстве с нисходящим способом взаимодействия фаз в разработанном моногидратном абсорбере.
Абсорбция триоксида серы серной кислотой в вихревом абсорбере происходит на поверхности распыленных капель и брызг жидкости в объеме каждого вихревого устройства. При соударении капель кислоты и при ударе их о поверхность корпуса абсорбера и о пластины завихрителей происходит многократное обновление поверхности контакта фаз и увеличение степени абсорбции триоксида серы. Вращающийся газожидкостный поток из контактного патрубка 6 нижнего вихревого устройства поступает в зону сепарации газовой и жидкой фаз. Отделившаяся от газового потока серная кислота через патрубок 13 отводится из аппарата. Газовый поток, содержащий брызги и капли серной кислоты, из вихревого абсорбера через тангенциальный газоход 8 поступает в брызгоуловитель со стекловолокнистыми фильтрующими элементами.
На Кингисеппском ООО ПГ «Фосфорит» проведены опытно-промышленные испытания вихревого моногидратного абсорбера триоксида серы.
В ходе испытаний технологическая линия производства серной кислоты была выведена на оптимальный режим работы от пяти серных форсунок, что соответствовало производительности по получаемой 98,6 %-ной серной кислоте - 9GG т/сут. В таблице 1 представлены основные показатели работы вихревого моногидратного абсорбера.
Рис. 3 - Схема движения жидкости и газа в вихревом контактном устройстве с нисходящим способом взаимодействия фаз в разработанном моногидратном абсорбере
Таблица 1 - Основные показатели работы вихревого моногидратного абсорбера
Показатели работы Численные значения
Расход газов, поступающих в абсорбер, м /ч (95 * 98) -103
Содержание триоксида серы в газе, на входе в абсорбер, % об 7
Температурный режим ВМА, оС:
газа на входе в аппарат 160 * 180
газа после брызгоуловителя 3 * 4
кислоты на входе в абсорбер 4 * 5
кислоты на выходе из абсорбера 6 О * 7 О
Расход циркулирующей серной кислоты, подаваемой на орошение в абсорбер, т/ч 900
Массовое отношение расходов жидкости (1_) и газа (О) в абсорбере, кг/кг 9
Гидравлическое сопротивление, кПа:
вихревого абсорбера 0,8
брызгоуловителя с фильтрующими элементами 2,0
Производительность по получаемой 98,6%-ной серной кислоте, т/сут 900
Степень абсорбции триоксида серы, % 99,91 - 99,99
Внедрение вихревого моногидратного абсорбера позволило обеспечить высокую степень абсорбции триоксида серы (99,91 - 99,99)%, резко сократить капитальные затраты и сократить выбросы в окружающую среду.
Расход аммиачной воды на стадии нейтрализации отходящих газов после вихревого моногидратного абсорбера сократился по сравнению с насадочной башней с 1,7 м3/ч до 0,6 м3/ч.
Разработанный аппарат защищен патентом РФ [3]. Разработанный и внедренный в производство аппарат выполнен из стали ЭИ - 943. Испытание коррозионной стойкости аппарата, проведенное в 18 точках активного тепло-массообмена, показало, что скорость коррозии элементов конструкции не превышает 0,5 мм в год.
Литература
1. Амелин, А. Г. Технология серной кислоты/ А. Г. Амелин. - М.: Химия, 1983. - 360 с.
2. Петров, В. И. Разработка и исследование вихревых контактных устройств с активным теплообменом в зоне контакта фаз/ В. И. Петров, А. С. Балыбердин, А. Ф. Махоткин// Вестник Казанского технологического университета. - Казань: 2006. - № 5. - С. 52 - 56.
3. Пат. 2287359 Российская Федерация МПК B01 D 53/18, B01 D 53/18, B01 D 53/18. Вихревой аппарат для проведения физико-химических процессов с нисходящим потоком фаз/ Махоткин А.Ф. [и др.]; заявитель и патентообладатель Открытое акционерное общество "Минеральнохимическая компания "ЕвроХим", Общество с ограниченной ответственностью "Промышленная экология". - № 2004134710/15; заявл. 30.11.2004; опубл. 10.05.2006, бюл. № 32. - 9 с.; ил.
© Р. А. Халитов - д-р техн. наук, проф. каф. оборудования химических заводов КГТУ, oxzkstu@rambler.ru; И. А. Махоткин - ст. препод. той же кафедры; А. Ш. Шарипов- уч. мастер той же кафедры; О. В. Царева - асп. той же кафедры; Е. А. Махоткина - ст. препод. каф. экономики КГТУ.
