Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Разработка способов интенсификации процессов очистки газовых выбросов от паров, аэрозолей и пыли токсичных веществ на примере производства кальцинированной соды 15
1.1. Разработка способа и катализатора для интенсификации процесса каталитической очистки отходящих газов производства кальцинированной соды от аммиака, оксида углерода, углеводородов и оксидов азота 15
1.2. Разработка способа интенсификации процесса абсорбции смеси аммиака и углекислого газа высокой концентрации в производстве кальцинированной соды 26
1.3. Разработка способа интенсификации процесса абсорбции аммиака из отходящих газов производства кальцинированной соды 43
1.4. Разработка способа интенсификации процесса очистки отходящих газов от пыли в производстве кальцинированной соды 67
Глава II. Разработка и исследование высокоэффективных вихревых абсорберов с рукавными фильтрами для интенсификации процесса абсорбции аммиака из отходящих газов и ликвидации брызгоуноса рассола в производстве сырого бикарбоната натрия 72
2.1. Исследование волокнистых фильтров для ликвидации брызгоуноса жидкости из абсорбера 72
2.1.1. Анализ способов определения площади поверхности контакта фаз в абсорберах 74
2.1.2. Исследование кинетики абсорбции диоксида углерода водой и водным раствором щелочи 76
2.1.3. Исследование кинетики абсорбции кислорода воздуха раствором сульфита натрия в присутствии кобальтового катализатора 79
2.1.4. Методика определения площади поверхности контакта фаз на орошаемых фильтрующих элементах 83
2.1.5. Экспериментальное определение площади поверхности контакта фаз на орошаемом фильтре 87
2.1.6. Исследование гидравлического сопротивления сухого и орошаемого фильтра 90
2.1.7. Методика определения дисперсного состава частиц тумана с помощью пятиступенчатого импактора 91
2.1.8. Исследование эффективности орошаемого фильтра для улова смеси паров и аэрозолей 95
2.2. Исследование вихревого контактного устройства с восходящим способом взаимодействия фаз в лабораторных и промышленных условиях для создания вихревого промывателя газов колонн-П 99
2.2.1. Описание конструкции и принципа работы вихревого контактного устройства для многоступенчатого контакта фаз в аппарате 99
2.2.2. Исследование брызгоуноса жидкости после вихревого устройства .101
2.2.3. Исследование гидравлического сопротивления вихревого устройства. Разработка способа уменьшения гидравлического сопротивления многоступенчатого вихревого аппарата, работающего при больших нагрузках по жидкой фазе 105
2.2.4. Исследование массоотдачи в газовой и жидкой фазе в вихревом контактном устройстве 109
2.2.5. Разработка и описание опытно-промышленного вихревого промывателя газов колонн —II 111
2.2.6. Исследование эффективности вихревого устройства в промышленных условиях абсорбции аммиака рассолом 115
2.2.7. Анализ результатов исследования в промышленных условиях вихревого промывателя газов колонн-П 120
2.3. Разработка, исследование и анализ результатов внедрения на заводах в производство принципиально новых вихревых абсорберов высокой производительности 125
Глава III. Разработка и исследование универсальных высокоэффективных катализаторов для, очистки газовых выбросов от аммиака, оксида углерода, углеводородов и оксидов азота 142
3.1. Описание экспериментальной установки 142
3.2. Анализ результатов экспериментального исследования процессов каталитической очистки газов от оксидов азота, аммиака, оксида углерода, углеводородов и их смеси на различных катализаторах 150
3.3. Разработка технологии изготовления высокоэффективных катализаторов на основе утилизации промышленных отходов различных производств 165
3.4. Разработка промышленной установки каталитической очистки газовых выбросов от углеводородов
3.5. Анализ результатов промышленных испытаний, эффективности и надежности разработанных катализаторов
Глава IV. Разработка и исследование высокоэффективных вихревых аппаратов для интенсификации процессов мокрой очистки газовых выбросов от пыли 185
4.1. Разработка и исследование новой технологии и высокоэффективных аппаратов очистки газовых выбросов от пыли производства бариевых солей 185
4.2. Разработка и исследование новой установки очистки газовых выбросов от пыли производства обжига мелкого камня известняка 194
4.3. Разработка и исследование нового аппарата для очистки газовых выбросов от пыли производства пенобетона
4.4. Разработка новой технологии и высокопроизводительных аппаратов очистки газового потока от пыли для крупнотоннажного производства обжига известняка 201
4.5. Расчет предотвращенного экологического ущерба в условиях Казанского завода строительных материалов 207
Выводы 215
Список литературы 217
Приложения 232
- Разработка способа интенсификации процесса абсорбции смеси аммиака и углекислого газа высокой концентрации в производстве кальцинированной соды
- Исследование эффективности орошаемого фильтра для улова смеси паров и аэрозолей
- Разработка, исследование и анализ результатов внедрения на заводах в производство принципиально новых вихревых абсорберов высокой производительности
- Анализ результатов экспериментального исследования процессов каталитической очистки газов от оксидов азота, аммиака, оксида углерода, углеводородов и их смеси на различных катализаторах
Введение к работе
Актуальность темы. Работа выполнена на основании государственных программ по охране окружающей среды. Проблема очистки газовых и газо-пылевых выбросов предприятий является актуальной для всех отраслей промышленности: химии, энергетики, металлургии, заводов производства строительных материалов. Наибольший расход газовых выбросов образуется при работе химических предприятий и теплоэлектростанций. Современное мощное производство кальцинированной соды сопровождается большими выбросами в окружающую среду, количество которых в абсолютном выражении по выбросам в год превышает выбросы многих химических предприятий в десятки раз. Основными источниками газовых выбросов производства являются процессы карбонизации, обжига известняка и теплоэлектростанция, находящаяся в составе предприятия. Очистка газовых выбросов от аммиака после процесса карбонизации происходит в барботажных аппаратах называемых промывателями. Расход газов через один промыватель газов колонн-ІІ - 10000 м3/ч. Одновременно на заводах работает от 4 до 13 промывателей газов. Концентрация аммиака в газовом выбросе находится в пределах 0,1- 0,2 г/м3, при ПДВ = 50 мг/м3. При увеличении расхода газа через промыватели всего на 30% концентрация в газовом выбросе растет в десятки раз. Соответственно в условиях увеличения мощности производства действующее оборудование очистки отходящих газов не способно выполнить требования современных санитарных норм.
Цель работы состоит в исследовании и разработке эффективных способов комплексной очистки газовых выбросов (ОГВ) производства кальцинированной соды для минимизации их воздействия на окружающую среду.
Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
- анализ состояния проблемы очистки отходящих газов от паров, аэрозолей и пыли токсичных веществ в условиях производства кальцинированной соды;
- исследование закономерностей механизма и кинетики процесса очистки отходящих газов от аммиака рассолом с разработкой эффективных абсорберов;
- исследование способа очистки отходящих газов от брызг и аэрозолей на основе процесса фильтрации газов;
- исследование закономерностей механизма процесса и кинетики химических реакций, протекающих при каталитической очистке отходящих газов от оксидов азота, оксидов углерода, углеводородов и аммиака, с разработкой необходимых катализаторов;
- исследование и разработка высокоэффективных аппаратов очистки отходящих газов от пыли;
- разработка рекомендаций по совершенствованию технологии очистки газовых выбросов производства кальцинированной соды, обеспечивающей повышение экологической безопасности производства.
Объекты исследования. В настоящей работе в качестве объекта исследования приняты технологии очистки отходящих газов экологически опасных стадий карбонизации и обжига известняка в условиях современного крупнотоннажного производства кальцинированной соды.
Научная новизна.
1. Разработан комплекс научно-обоснованных экологических, технологических и технических решений направленных на создание эффективных способов комплексной очистки газовых выбросов в производстве кальцинированной соды;
2. Определены закономерности механизма и кинетики процессов хемосорбции смеси аммиака (NH3) и диоксида углерода (СО2) в условиях ОГВ процессов карбонизации, и дистилляции, что позволило разработать высокоэффективный способ интенсификации хемосорбции газов.
3. Показаны новые закономерности механизма процесса и кинетики химических реакций, протекающих при каталитической очистке отходящих газов от смеси оксидов азота (NOx), оксида углерода (CO) и углеводородов (СnHm), что позволило разработать достаточно эффективные катализаторы, обеспечивающие современные нормы ОГВ. Разработана технология изготовления катализаторов с применением отходов производств.
4. Подтверждены закономерности гидродинамики и массопередачи в новых вихревых аппаратах абсорбции газов и мокрой ОГВ от пыли. Новизна разработанных способов и аппаратов очистки отходящих газов подтверждена патентами РФ и КНР.
Практическая значимость диссертационной работы. Для решения экологических проблем производства кальцинированной соды разработаны и исследованы в промышленных условиях высокопроизводительные компактные вихревые аппараты с волокнистыми фильтрующими элементами, обеспечивающие эффективную абсорбцию аммиака и надежную ликвидацию брызгоуноса рассола. На основе результатов исследования научно обоснован и впервые разработан промышленный компактный высокопроизводительный абсорбер для очистки отходящих газов после колонн карбонизации, заменяющий весь каскад действующих газоочистных аппаратов типа ПГКЛ-I и ПГКЛ-II.
Впервые для интенсификации процессов абсорбции газов после колонн дистилляции разработан и внедрен в производство высокопроизводительный вихревой абсорбер смеси аммиака и углекислого газа, позволяющий заменить одновременно весь каскад действующих дорогих и громоздких колонных абсорберов.
Впервые с применением отходов производств разработаны и исследованы в промышленных условиях эффективные универсальные катализаторы, обеспечивающие для производства кальцинированной соды надежную очистку отходящих газов от смеси: СО, СnHm, NOx и остатков NH3. Разработана технология изготовления эффективных катализаторов с использованием шламовых отходов теплоэлектростанций и железооксидных отходов металлургических производств.
Впервые для решения экологических проблем процессов обжига известняка и процессов производства хлористого бария разработаны, исследованы в промышленных условиях и внедрены в производство высокоэффективные компактные установки мокрой ОГВ от пыли (СаО, СаСО3, ВаСl2), обеспечивающие одновременно замкнутый водооборот и возврат уловленных веществ в производство.
Все разработанные и внедренные в промышленность установки ОГВ выполнили требования современных санитарных норм при одновременном сокращении капитальных и эксплуатационных затрат.
Практическая значимость диссертационной работы подтверждается высокой надежностью и эффективностью промышленных установок внедренных в производство и их длительной многолетней непрерывной эксплуатацией на заводах и поддержанием ими патентов по разработанным аппаратам в действующем состоянии.
Апробация работы. Содержание диссертационной работы докладывалось на научных конференциях: «Современные проблемы специальной технической химии» - 2004, 2006, 2007, 2008, 2009 гг., г. Казань; на ежегодных научных сессиях ГОУ ВПО КГТУ 2001-2011 гг.; на международной конференции по экологии 2006 г. г. Белгород; на международном симпозиуме «Ресурсоэффективность и энергосбережение химических технологий» г. Казань 2006 г.
Разработанные способы, аппараты и катализаторы демонстрировались на международных выставках, где были отмечены наградами:
- бронзовой медалью международной выставки «За разработку и внедрение в производство высокоэффективных массообменных аппаратов». Международный инновационный салон, г. Москва 2004 г.
- Дипломом I степени «За разработку и внедрение высокоэффективной вихревой технологии мокрой очистки газовых выбросов от пыли. 2-ой Экологический форум. Человек. Природа. Наука. Техника. 24-27 мая 2006 г., г. Казань.
- Диплом II степени «За производство и продвижение отечественной продукции» КГТУ (КХТИ). За разработку «Высокоэффективный катализатор и конструкции реакторов». Выставочная компания «Новое тысячелетие». III-я Международная специализированная выставка. Нефтепереработка. Нефтехимия. Экология. Смазочные материалы. Энергетика. Электроника, 2006 г., г. Набережные Челны.
Разработанные промышленные технологии демонстрировались на международной выставке в Китае, г. Шанхай, 2005 г.
Автором опубликовано 145 научных трудов, в том числе 28 научных труда по теме диссертации, из них: 6 статей в изданиях реферируемых ВАК, получено 5 патентов РФ и 1 патент Китая. Подана заявка на патентование новых аппаратов в США и Германии.
Личный вклад автора состоит в научном обосновании решения экологических проблем производства кальцинированной соды, в обосновании первоочередных направлений прикладных научно-исследовательских работ, проведение которых обеспечило осуществление целей и задач диссертационной работы.
Выполнен комплекс экспериментальных исследований и математическое описание закономерностей: кинетики химических реакций, протекающих при ОГВ; гидродинамики и массопередачи в аппаратах и выполнено обобщение полученных результатов.
Разработаны принципиально новые способы интенсификации рассмотренных физико-химических процессов, компактные аппараты и высокоэффективные катализаторы для ОГВ, обоснованы технологические процессы для комплексной ОГВ производств.
Выполнено руководство комплексом работ по проектированию, изготовлению, монтажу, пуску, испытанию и внедрению на заводах разработанных принципиально новых промышленных установок.
В связи с широким внедрением в производство на заводах новых способов и аппаратов ОГВ автор выражает глубокую искреннюю благодарность: главным инженерам ООО «Казанский завод строительных стеновых материалов» Безденежных Г.С. и Дулиеву М.Г., директору и главному инженеру ОАО «Березниковский содовый завод» Ковырзину Ю.В. и Фальковскому Н.Н., главному инженеру ОАО «Сода», г. Стерлитамак Воронину А.В., научному консультанту ПГ «Фосфорит», г. Кингисепп Юрьевой В.И. за большой вклад и практическую помощь при внедрении новых промышленных установок в производство. За неоценимую помощь в работе автор выражает искреннюю благодарность лауреату государственной премии СССР, д.т.н., профессору Халитову Р.А., сотрудникам кафедры «Оборудование химических заводов» КГТУ: профессорам Гайнутдинову Р.Ш., Петрову В.И., доцентам Красильникову В.В., Ситкину А.И., Репину В.В., Останину Л.М., главному инженеру КМИЦ-НТ КГТУ, лауреату государственной премии СССР Хапугину И.Н., заведующему лабораторией кафедры ОХЗ КГТУ Шарифисламову Ф.Ш.
Объем и структура диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа содержит 231 страницу машинописного текста, 78 рисунков, 15 таблиц, 4 приложений. В работе представлены ссылки на литературу из 152 наименований.
Разработка способа интенсификации процесса абсорбции смеси аммиака и углекислого газа высокой концентрации в производстве кальцинированной соды
Анализ уравнения (1.24) показывает, что для увеличения выхода конечного продукта гидрокарбоната натрия необходимо увеличивать концентрацию каждого из всех исходных компонентов в растворе. Это означает, что необходимо применять СО2, NaCl и NtT? максимальной концентрации. При этом необходимо обеспечить предельное насыщение рассола аммиаком и даже подавать аммиак в избытке, так как значительная часть аммиака выдувается из раствора карбонизирующим газом. Целесообразно подавать рассол, близкий к насыщенному, или даже укреплять рассол твердой поваренной солью. Согласно уравнению (1.24) для увеличения выхода конечного продукта необходимо уменьшать температуру. Последнее объясняется тем, что с уменьшением температуры увеличивается растворимость СО2 и одновременно уменьшается растворимость конечного продукта, который выпадает в осадок. При уменьшении температуры равновесная реакция смещается вправо. Однако при уменьшении температуры уменьшается растворимость не только NaHC03, но и NH4CI (см. реакцию 1.23). Выпадение в осадок NH4CI по реакции (1.23) является нежелательным. Поэтому температуру можно уменьшать только до определенного предела, которая на практике составляет 32С. При температуре 60-70С обеспечивается ликвидация образования осадков NH4C1. Максимальная степень использования натрия по реакции (1.23) около 75% [33,34].
В уравнении (1.27) и уравнении (1.24) можно увидеть кажущееся противоречие по влиянию температуры. Однако противоречия нет, так как уравнение (1.27) характеризует кинетику процесса, а уравнение (1.24) характеризует статику, или равновесие процесса. Следует отметить, что при повышении температуры карбонизации от 20 до 40С степень пересыщения уменьшается в 2,2 раза, а константа скорости кристаллизации увеличивается только в 1,4 раза.
В результате, на практике, наблюдается картина, при которой с повышением температуры скорость процесса кристаллизации падает. Скорость кристаллизации бикарбоната натрия после образования зародышевых кристаллов сначала резко уменьшается, а затем постепенно выравнивается. При увеличении степени карбонизации рассола скорость кристаллизации увеличивается по прямолинейному закону.
Скорость абсорбции СОг в колонне карбонизации описывается уравнением Белопольского [35].
По уравнению (1.28) для увеличения скорости абсорбции СОг рассолом необходимо увеличивать степень турбулизации жидкой фазы, площадь поверхности контакта фаз и увеличивать концентрацию СОг в газе на входе в аппарат. В промышленных условиях степень абсорбции СОг мала. Газ с концентрацией СОг более 8% выбрасывается в атмосферу. Если бы удалось утилизировать хотя бы половину выбрасываемого диоксида углерода, то в условиях мощного производства ОАО «Сода», г. Стерлитамак можно было бы получить дополнительно до пятидесяти тысяч тонн соды в год.
Если рассматривать равновесие основной реакции получения бикарбоната натрия (1.23) при фиксированных значениях температуры и степени карбонизации, то образующийся состав веществ можно представить в виде диаграммы. Схема такой диаграммы показана на рис. 1.1 [36].
На диаграмме точка Рі соответствует раствору, насыщенному тремя солями: бикарбонатом натрия NaHC03, бикарбонатом аммония NH4HC03 и хлоридом аммония NH4CI. Кривая Рг - 4 изображает растворы, насыщенные ЫаНСОз и NH4HCO3. Поле, ограниченное контуром A-l-P2-Pi-4 - А, характеризует состав растворов, насыщенных только одним бикарбонатом натрия.
Исследуя растворимость указанных солей, Федотьев, Микулин и ряд других авторов [36, 37] нашли, что стабильной парой солей являются NH4C1 и №НСОз. Твердые фазы NaCl и NH4HCO3 не могут существовать совместно и переходят в более стабильную пару NH4C1 и NaHCCb- Поэтому из четырех солей, участвующих в реакции (1-23), в твердой фазе могут быть одновременно две стабильные соли и одна неустойчивая. Точка Pi характеризует, соответственно, состав из двух стабильных солей ЫаНСОз и NH4C1 в присутствии одной нестабильной соли в виде NH4HCO3. Точка V2 характеризует состав из двух стабильных солей NH4C1 в присутствии нестабильной соли NaCl.
Добавление к раствору, насыщенному тремя солями: ШНСОз, NH4C1 и NH4HCO3, в точке Pi четвертой соли в виде NaCl приводит к взаимодействию ее с NH4HCO3 с образованием дополнительного количества NH4CI и ИаНСОз в твердой фазе. Когда из твердой фазы исчезает NH4HCO3, тогда точка состава Pi переместится на линию Pi Р2, характеризующую состав растворов, насыщенных NaHCCb и NH4C1 при изменяющемся содержании NaCl в растворе.
В точке Р2 раствор становится насыщенным NH4CI, NaHCCb и NaCl. Маточному раствору в точке Р[ соответствует наибольшая степень утилизации натрия и максимально связанный аммиак. Это означает, что в точке Pi достигается наибольший выход бикарбоната натрия на единицу объема карбонизируемой жидкости. С увеличением температуры от О до 32С степень утилизации натрия повышается с 73,6 до 84%. При дальнейшем увеличении температуры степень утилизации натрия уменьшается. Так, при увеличении температуры до 45С, степень утилизации натрия уменьшается до 81,6%.
Увеличение давления диоксида углерода практически не влияет на степень утилизации натрия. Так, изменение давления С02 от 0,5 до 3 кгс/см2 повышает степень утилизации натрия всего на 1% [37, 38].
Таким образом, при аммиачном способе получения соды теоретически можно достигнуть степени использования натрия 84% [36]. Для этого должны быть выдержаны следующие условия: температура 32С, концентрация хлорид-иона в нормальных делениях (н.д.) - 115 , концентрация общего аммиака - 115 (н. д.), максимально связанный аммиак - 96,5, степень карбонизации рассола - 200%.
Однако в промышленных условиях степень утилизации натрия не превышает 75%. Это объясняется тем, что в промышленных условиях невозможно обеспечить одновременно всю совокупность перечисленных требований. Во-первых, на действующем оборудовании в промышленных условиях невозможно обеспечить равновесное состояние системы, так как для этого требуется продолжительное время, что экономически не выгодно. Во-вторых, для обеспечения необходимого качества кристаллов бикарбоната натрия, конечные растворы должны быть насыщены только этой солью. В-третьих, чтобы получить оптимальные растворы, к рассолу необходимо добавлять аммиак и твердую поваренную соль. Поваренная соль при этом будет растворяться и содержание иона хлора повысится до требуемой оптимальной величины - 115 н. д. Однако техническая поваренная соль обычно содержит примеси солей кальция и магния и ее надо чистить, что экономически не выгодно. Все это приводит к тому, что производственные растворы сильно отличаются по составу от оптимальных.
Процесс кристаллизации бикарбоната натрия начинается при относительно небольшой величине критического пересыщения - около 1,3. Равновесная концентрация растворенной соли находится в пределах 3-4 н. д. Однако в промышленных условиях кристаллизация начинается при относительно высокой концентрации бикарбоната натрия в растворе около 20 н. д. [36]. Сначала образуются зародышевые комплексы. Они представляют собой ассоциаты, состоящие из различного числа частиц без кристаллической структуры. Образовавшиеся комплексы частиц находятся в динамическом равновесии с большим количеством простейших частиц. Идут процессы взаимного превращения, но число комплексов определенного размера при этом не меняется. В пересыщенном растворе на протяжении предкристалли-зационного периода до-зародыши постепенно достигают по размеру зародышей. Начинается процесс образования новой фазы - зародышей. Как только образовались зародыши, они начинают расти. Сначала кристаллизующееся вещество диффундирует из объема раствора к поверхности растущего кристалла. Затем происходит адсорбция частиц на поверхности твердого слоя. За одним монослоем образуется другой. Кристалл увеличивается в размерах. Увеличение размеров кристалла происходит за счет роста его граней. Кроме того, рост кристалла протекает по дислокационному механизму.
Исследование эффективности орошаемого фильтра для улова смеси паров и аэрозолей
На рис. 2.19 представлена зависимость степени осаждения тумана серной кислоты от плотности орошения фильтра водой.
Экспериментальные данные, представленные на рис. 2.19 показывают, что степень осаждения мелкодисперсного тумана серной кислоты на орошаемом фильтре в два раза больше, чем на сухом фильтре. 100
Анализ закономерностей роста величины площади поверхности контакта фаз внутри смоченного фильтра за счет орошения (см. рис. 2.14) и закономерностей роста эффективности осаждения частиц тумана на фильтре при увеличении плотности орошения фильтра (см. рис. 2.19) показывает, что в этих зависимостях наблюдается некоторое подобие. Поэтому для повышения степени осаждения тумана на фильтре необходимо стремиться к тому, чтобы внутри фильтрующего слоя было больше жидкой фазы.
На рис. 2.20 и 2.21 представлены зависимости эффективности и соответственно скорости процесса очистки газа от смеси паров и тумана серной кислоты на орошаемом полипропиленовом фильтре от суммарной концентрации паров и тумана кислоты.
Из кривых рис. 2.22 видно, что в области низкой концентрации компонентов в газе скорость процесса осаждения тумана меньше скорости абсорбции паров. Поэтому в процессе газоочистки при уменьшении концентрации компонентов в газе начинает работать уравнение 2.16. В этом случае на последней ступени газоочистки необходимо интенсифицировать процесс осаждения мелкодисперсного тумана как лимитирующую стадию суммарного процесса газоочистки. Наиболее эффективно улов тумана протекает на орошаемом фильтре.
Разработанный способ интенсификации процесса осаждения тумана за счет орошения волокнистого фильтра отличается от известного способа применения сухих фильтров тем, что он обеспечивает не только дополнительный улов паров вещества, но и интенсификацию темпов роста диаметра частиц тумана. Однако орошаемый фильтр генерирует вторичный брызгоунос. В этой связи для ликвидации указанного недостатка необходимо применять двухступенчатую фильтрацию газов. При этом первая ступень с орошаемой фильтрацией выполняет роль эффективной брызголовушки и обеспечивает осаждение основной доли брызг и тумана. Вторая ступень с более плотной упаковкой слоя фильтра и неорошаемой фильтрацией является туманоло-вушкой для глубокой или окончательной очистки газов от мелкодисперсного тумана. Для минимизации гидравлического сопротивления и ликвидации вторичного брызгоуноса с фильтра величину скорости фильтрации мы рекомендуем в пределах 0,15-0,20 м/с. При работе в диапазоне скорости фильтрации газа 0,15-0,20 м/с и скорости обтекания газового потока снаружи рукавного фильтра не более 1,0 м/с вторичный брызгоунос не обнаруживается. В этих условиях брызги улавливаются фильтром более чем на 99,99% и эффективно улавливается туман. При одноступенчатой фильтрации перед фильтром должно быть установлено сепарационное вихревое контактное устройство для уменьшения плотности орошения фильтра брызгами жидкости. В соответствии с данными рис. 1.2 вихревые контактные устройства обладают минимальным брызгоуносом по сравнению с другими массообменными контактными устройствами. Следует отметить, что вместо вихревого устройства для улова брызг могут найти применение скоростные сетчатые фильтры с низкой величиной плотности упаковки слоя.
Разработка, исследование и анализ результатов внедрения на заводах в производство принципиально новых вихревых абсорберов высокой производительности
При создании аппаратов абсорбции легкорастворимых газов большой производительности или большой единичной мощности, кроме сокращения капитальных затрат, необходимо стремиться к сокращению затрат эксплуатационных. Для сокращения эксплуатационных затрат главным является уменьшение гидравлического сопротивления аппарата и повышение его надежности.
Простота и компактность вихревого аппарата с одним вихревым контактным устройством на тарелке предопределяет высокую надежность аппарата.
Разработанная и описанная в предыдущем параграфе конструкция вихревого контактного устройства создана на производительность по расходу газа от 0 до 10 тысяч м3/ч. Работоспособность вихревого устройства при высокой скорости газа обеспечивается за счет восходящего режима контактирования фаз. Работоспособность при низкой скорости газа обеспечивается за счет провала жидкости и образования цилиндрического слоя падающей жидкости. Падающий слой жидкости пронизывается газовым потоком с минимальным гидравлическим сопротивлением. При пронизывании газовым потоком падающего слоя жидкости увеличивается вероятность столкновения каждой молекулы газа с жидкостью, а значит, может быть обеспечена высокая степень абсорбции легкорастворимого газа. В этой связи представляется целесообразным создать такую конструкцию вихревой ступени контакта фаз, в которой энергия газового потока не расходовалась бы на транспорт жидкости вверх. Поставленная задача может быть решена за счет применения нисходящего способа взаимодействия фаз. Следует отметить, что вихревые контактные устройства с нисходящим способом контактирования фаз известны. Подробное исследование вихревого аппарата с нисходящим способом взаимодействия фаз представлено в докторской диссертации А.Н.Николаева [79]. В работе доказано, что нисходящий способ взаимодействия фаз действительно позволяет значительно уменьшить величину гидравлического сопротивления аппарата по сравнению с восходящим способом взаимодействия фаз. Схема аппарата, исследованного А.Н. Николаевым, представлена на рис. 2.43.
В работе [79] выполнено исследование вихревого аппарата с щелевым диспергатором. Обеспечить глубокую очистку газов методом абсорбции в известных вихревых аппаратах до величины заданной степени абсорбции 99,99% невозможно не только из-за высокого брызгоуноса, но и из-за недостаточной площади поверхности контакта фаз. Кроме того, известные конструкции вихревых аппаратов с нисходящим способом контактирования фаз испытывались с относительно маленькой производительностью, которая достигала не более 10 тыс. м /ч. Мы ставим перед собой задачу создать опытный аппарат с производительностью до 100 тысяч м /ч.
В промышленности известно применение скоростных аппаратов типа труба Вентури, которые испытывались с производительностью до 100 тыс. м /ч. Однако труба Вентури имеет относительно большое гидравлическое сопротивление. Брызгоунос после трубы Вентури остается большим даже при работе с циклоном. Поэтому аппараты типа труба Вентури после известных испытаний, например, в производстве серной кислоты на стадии абсорбции газов, были отключены и в настоящее время не применяются.
Нами разработана новая конструкция опытного вихревого аппарата с ликвидацией указанных недостатков на производительность по расходу газа до 100 тысяч м /ч при L/Q до 10. Опытный аппарат изготовлен и смонтирован на Кингисеппском заводе производства удобрений. Аппарат применен для интенсификации абсорбции легкорастворимого газа триоксида серы серной кислотой. Хотя данный аппарат разработан по производительности на полную мощность промышленного производства серной кислоты, мы его называем опытным аппаратом, так как подобных аппаратов в промышленности не было как в отечественной, так и в зарубежной практике. В опытном аппарате предусмотрены элементы для экспериментального исследования эффективности основных его узлов.
Исследование эффективности такого аппарата в крупнотоннажном производстве серной кислоты осуществлялось впервые. Главное назначение созданного аппарата заключалось в ускорении пуска в Кингисеппе на ООО ПГ «Фосфорит» промышленной технологии производства серной кислоты, которая была отключена из-за полного выхода из строя действующего моно-гидратного абсорбера, выполненного в виде насадочной колонны. Из-за выхода из строя действующего моногидратного абсорбера Кингисеппский завод производства минеральных удобрений недополучал ежедневно до 1000 тонн серной кислоты и вынужден был перейти на привозную серную кислоту. Изготовление нового моногидратного абсорбера в классическом исполнении в виде насадочной колонны диаметром 8,0 м и высотой 16 м требовало не менее 8 месяцев. Материалоемкость действовавшей ранее насадочной колонны составляла 500 тонн. В этой связи, заводом была поставлена задача, создать такую конструкцию моногидратного абсорбера, которая позволила сдать опытный аппарат в непрерывную эксплуатацию в кратчайшие сроки. Схема разработанной нами опытной установки с вихревым моногидратным абсорбером представлена на рис. 2.44.
Установка работает следующим образом. Серная кислота с концентрацией 98,6% из емкости 1 погружным насосом 5 через теплообменники 4 подается в вихревой абсорбер. Ввод кислоты внутрь аппарата осуществляется в несколько точек одновременно. В каждой точке ввода предусмотрены форсунки. Кислота со всех массообменных элементов установки собирается в днище вихревого абсорбера и самотеком возвращается в емкость 1. В емкость 1 по материальному балансу непрерывно подпитывается вода. Продукционная серная кислота с концентрацией 98,6% отводится в сборник и перекачивается на склад готовой продукции. Газовый поток при температуре 180С и концентрации SO3 равной 8% входит в вихревой абсорбер сверху. Температура продукционной серной кислоты на выходе из вихревого абсорбера должна быть не более 75С. Кратковременно допускается температура не более 85С. Ограничение по температуре кислоты на выходе из вихревого абсорбера объясняется пределом коррозионной стойкости стали ЭИ - 943, из которой изготовлен опытно-промышленный аппарат.
Брызголовушка выполнена из стали ЭИ - 448. Толщина корпуса вихревого абсорбера и брызголовушки 8 мм. Масса вихревого абсорбера 19 т. Масса брызголовушки 29 т. Диаметр вихревого абсорбера 3,5 м. Диаметр брызголовушки 7,5 м. Высота вихревого абсорбера 13 м. Высота брызголовушки 8 м. Диаметр газоходов на входе и выходе установки 2 м.
Вихревой абсорбер предназначен для абсорбции триоксида серы серной кислотой с получением 98,6%-ной продукционной серной кислоты. Брызголовушка предназначена для улова брызг и тумана серной кислоты. Газовый поток, содержащий остатки диоксида серы и тумана серной кислоты направляется в нейтрализатор газового выброса.
Нейтрализация осуществляется аммиачной водой в полой распылительной башне. После нейтрализации газовый поток выбрасывается в атмосферу, а солевой раствор перекачивается в шламонакопитель. Труба выброса газов в атмосферу выполнена из фаолита. Диаметр трубы 3 м, высота 180 м.
Основным массообменным элементом вихревого абсорбера является вихревое контактное устройство. Схема вихревого контактного устройства представлена на рис. 2.45.
Вихревое устройство закреплено на тарелке и работает в режиме нисходящего способа контактирования фаз. Всего в аппарате три вихревых устройства. Для двух верхних вихревых устройств патрубок под тарелкой имеет форму сужающейся конусной обечайки. Для нижнего вихревого устройства патрубок имеет форму цилиндрической обечайки. В верхней части каждого завихрителя установлены семь форсунок, одна из которых расположена по оси вихревого устройства. Форсунки соединены с распределителем жидкости, который выполнен в виде торроидальной трубы диаметром 100 мм.
Диаметр труб для форсунок 50 мм. Форсунки представляют собой трубу с диском, который приварен к трубе с помощью четырех вертикальных пластин. Зазор между трубой и диском 25 мм. Жидкость, поступающая в форсунки завихрителя, разбрызгивается внутри завихрителя и падает вниз.
Анализ результатов экспериментального исследования процессов каталитической очистки газов от оксидов азота, аммиака, оксида углерода, углеводородов и их смеси на различных катализаторах
В отечественной и зарубежной науке недостаточно уделено внимание процессам каталитической очистки газовых выбросов производства кальцинированной соды. Объясняется это тем, что очистка газовых выбросов производства кальцинированной соды является сложной научно-технической проблемой. В газовом выбросе содержится смесь многих компонентов: оксид углерода, углеводороды, оксиды азота, аммиак. Для каждого из компонентов при газоочистке на катализаторах характерна своя группа реакций, а конкретный катализатор обычно может ускорять одну конкретную реакцию. Поэтому в условиях производства кальцинированной соды нужен принципиально новый универсальный катализатор, который обеспечил бы одновременно каталитическую очистку газов от всех перечисленных компонентов. Кроме того для сокращения капитальных и эксплуатационных затрат перспективная технология каталитической очистки газовых выбросов производства кальцинированной соды должна опираться на способы энерго- и ресурсосбережения. Последнее, может быть достигнуто на основе: совмещения разных технологических процессов; использования горячих отходящих газов на других стадиях основного или смежного с ним производства.
При такой современной методологии подхода можно обеспечить сокращение затрат на каталитическую очистку газов и сделать относительно дорогой способ каталитической газоочистки экономически оправданным.
Известные результаты экспериментального исследования процесса каталитической очистки газовых выбросов от оксидов азота показывают, что наиболее эффективными катализаторами являются железооксидные [83] и железохромоксидные катализаторы [84]. Железохромоксидные катализаторы обеспечивают эффективную очистку от оксидов не только технологических, но и залповых газовых выбросов высокой концентрации. Высокая эффективность железохромоксидных катализаторов объясняется тем, что на них быстро протекает не только реакция восстановления оксидов азота аммиаком, но и реакция разложения образующихся солей [84]. На этой основе разработана и внедрена в производство по проекту КГТУ установка очистки газовых выбросов от смеси оксидов азота и паров азотной кислоты, отмеченная государственной премией СССР в 1991 году. Одной из последних книг по очистке газовых выбросов от оксидов азота для условий теплоэлектростанций является монография [86]. Однако теоретических работ и научных монографий по каталитической очистке газовых выбросов от смеси аммиака, оксида углерода, углеводородов и оксидов азота для решения экологических проблем производства кальцинированной соды пока нет.
Проанализируем важнейшие кинетические закономерности реакции каталитической очистки газов от оксидов азота аммиаком.
Поэтому для правильного сравнения различных катализаторов необходимо исследовать кинетику как реакции (3.6), так и реакции (3.13).
Следует отметить, что процесс восстановления оксидов азота является гетерогенным процессом. В кинетике этого процесса есть несколько последовательных стадий: стадия диффузии компонентов из газовой фазы к границе раздела фаз, стадия адсорбции компонентов на поверхности, стадия химической реакции на поверхности катализатора и стадия десорбции продуктов реакции с поверхности катализатора в газовую фазу. Поэтому процесс восстановления оксидов азота может протекать как в диффузионной, так и в кинетической области в зависимости от соотношения скорости диффузии и скорости химической реакции.
Молекула аммиака диффундирует к катализатору быстрее молекулы оксида азота, так как размер ее меньше. На поверхности катализатора адсорбируется как N0, так и NH3. Скорость диффузии N0 из объема газа к поверхности описывается уравнением
Выражение (3.17) показывает, что величина константы скорости химической реакции восстановления оксидов азота зависит от скорости диффузии оксида азота в газовой фазе. При высокой турбулентности газового потока величина коэффициента диффузии р стремится к максимальному значению. При этом процесс переходит в кинетическую область.
Увеличение скорости газового потока приводит к увеличению силы трения газового потока и увеличению гидравлического сопротивления слоя катализатора. В литературе известно выражение, по которому определяют площадь поверхности слоя зернистого (гранулированного) материала по гидравлическому сопротивлению слоя [87].
Исследование показало, что высокая эффективность очистки газов от оксидов азота на железохромоксидном катализаторе достигается при температуре 300-350С. При этой температуре наблюдается максимум эффективности. До экстремума эффективности линия рис. 3.9 характеризует основной процесс восстановления оксида азота по реакции (3.6). После экстремума начинается образование оксида азота из аммиака по реакции (3.13).
В литературе принято считать, что процесс каталитической очистки газов от оксидов азота аммиаком протекает селективно без участия кислорода. Поэтому в литературе закрепилось понятие «селективный каталитический процесс» или «селективный каталитический реактор» [86].
Однако это не совсем правильно. Кривая рис. 3.10 показывает, что кислород нужен. При полном отсутствии кислорода реакция восстановления NO практически не идет.
Следует отметить, что нежелательная реакция окисления аммиака (3.13) протекает на любом из известных катализаторов. Величина энергии активации реакции (3.6) отличается от величины энергии активации реакции (3.13).
Это означает, что, изменяя состав катализатора, можно изменять скорость протекания этих реакций и перемещать максимум эффективности газоочистки в сторону большей или меньшей температуры. Последнее особенно важно при создании катализатора для очистки газовых выбросов теплоэлектростанций, так как температура отходящих газов теплоэлектростанций после котла довольно конкретная и находится в пределах 280 - 320С.
Следует отметить, что при каталитической очистке газов от оксидов азота не весь аммиак реагирует по упомянутым реакциям (3.6) и (3.13). Некоторая доля аммиака превращается в азот и водород. Водород в свою очередь реагирует с кислородом, образуя пары воды: 2Н2 + 02 -» 2Н20 . (3.19)
Без катализатора аммиак так же быстро реагирует с оксидами азота с образованием нейтральных продуктов, но при высокой температуре [86]. Выполненное нами экспериментальное исследование показало, что гомогенная реакция при температуре 950С завершается практически за 1 секунду. Зависимость константы скорости гомогенной реакции от температуры в области 850-950С имеет вид:
Анализ данных таблицы 3.1 показывает, что при сравнении различных катализаторов низкотемпературного процесса восстановления оксидов азота наиболее эффективными являются железооксидные и железохромоксидные катализаторы. Соответствующая температурная зависимость константы скорости нежелательного процесса по реакции 3.13 представлена для различных катализаторов в таблице 3.2.
