книги из ГПНТБ / Амелин, А. Г. Производство серной кислоты учебник

Г Л А В А 6.

ОЧИСТКА СЕРНИСТОГО ГАЗА ОТ ПЫЛИ И ПОЛУЧЕНИЕ КОНЦЕНТРИРОВАННОГО СЕРНИСТОГО АНГИДРИДА

Запыленность обжигового газа составляет после механических печей 1— 10 г/м3, после печей пылевидного обжига 20—100, после печей КС 50—300 г/м3. Пыль может засорять аппаратуру, что повы­ шает гидравлическое сопротивление системы и снижает количество кислоты, поэтому пыль необходимо удалять.

Для очистки газа от пыли используют механический или элек­ трический способы или комбинируют оба эти способа.

§ 25. Механические способы очистки газа от пыли

Аппараты для механической очистки основаны на принципе дей­ ствия на частицы пыли силы тяжести или центробежной силы. Осаждение пыли под действием центробежной силы используется в циклонах. Частицы вращаются в них по окружности, находясь в поле центробежных сил. Скорость осаждения при этом прямо пропорциональна размерам частиц, их плотности и окружной ско­ рости потока. Скорость газа в циклонах 7—20 м/с, гидравличе­ ское сопротивление при этом до 400 Н/м2 (40 мм вод. ст.), степень очистки при размерах частиц пыли 5—20 мкм составляет соответ­ ственно 50—99,5%-

Рис. 38. Установка для сухой очистки газов:

/ — печь КС; 2 — котел-утилизатор; 3 — циклоны; 4 — электрофильтр

На рис. 38 показана установка для сухой очистки газов от пыли после печей КС.

Устройство циклонов различных конструкций показано на рис. 39.

70

Коэффициент очистки (отношение количества пыли, осажден­ ной в циклоне, к количеству пыли в запыленном газе) зависит от размера частиц пыли: он увеличивается с увеличением диаметра

частиц пыли.

Механическая очистка газа от пыли проста, однако она мало эффективна. Поэтому в производстве серной кислоты, где требует­ ся тщательная очистка газа от пыли, механическая очистка соче­ тается с электрическим способом осаждения пыли.

§ 26. Электрический способ осаждения пыли

Аппараты для электрической очистки называются электрофильт­ рами. В электрофильтрах газ пропускается между двумя электро­ дами, один из которых заземлен (осадительный электрод), а другой соединен с отрицательным полюсом (коронирующий электрод). Око­ ло коронирующего электрода наблюдаются характерные свечение и звук. Эта область называется короной. В зависимости от формы осадительных электродов электрофильтры бывают трубчатые и пластинчатые.

На рис. 40 приведена схема основных систем сухих электро­ фильтров. Между электродами происходит ионизация газа, ионы адсорбируются взвешенными частицами пыли и заряжают их. За­ ряженные частицы притягиваются в соответствии с зарядом к од­ ному из электродов. По оси трубчатого осадительного электрода в центре помещается коронирующий электрод — натянутая прово­ лока (см. рис. 40, а). В пластинчатых электрофильтрах осадитель­ ными электродами служат пластины, а коронирующие электроды размещены между пластинами в виде ряда проволок, находящихся на равных расстояниях друг от друга и от пластин (см. рис. 40, б).

Для питания электрофильтров необходим постоянный ток, его получают при помощи специальных выпрямителей. Предваритель­

Степень очистки газа в электрофильтрах зависит от напряжен­ ности электрического поля. Сила электрического поля, действую­ щая на заряд частиц, прямо пропорциональна квадрату напряжен­ ности и первой степени радиуса частиц, т. е. крупные частицы пыли осаждаются при меньшей затрате электроэнергии, чем мелкие.

Как электропроводные, так и неэлектропроводные частицы обыч­ но осаждаются одинаково хорошо, отдавая при осаждении свои за­ ряды (или принимая их). Однако частицы пыли некоторых веществ (например, окиси цинка) плохо принимают электрический заряд. Осаждение неэлектропроводной пыли на осадительных электродах ухудшает условия процесса очистки, так как плотный электроизо­ лирующий слой пыли на электроде препятствует разряду вновь осе­ дающих пылинок. Кроме того, осаждение пыли на коронирующих электродах увеличивает их диаметр, ухудшая таким образом усло­

72

вия возникновения короны, поэтому с электродов необходимо регу­ лярно удалять пыль.

Запыленность газа, входящего в электрофильтр, не влияет на степень его очистки в электрофильтре (до некоторого предела запы­ ленности). Однако при очень значительном содержании пыли в га­ зе и особенно при большой скорости газового потока в электро­ фильтре очистка газа ухудшается.

Рис. 41. Электрическая схема питания электрофильтров:

/ — рубильник; 2 — предохранитель; 3 — регулятор напряжения; 4 — по­ вышающий трансформатор; 5 — высоковольтный выпрямитель; 6 — изо­ лятор; 7 — осадительный электрод; 8 — коронирующий электрод; 9 — заземление

Для осаждения огарковой пыли используют в основном адектрофильтры с пластинчатыми осадительными электродами в виде сеток. В промышленности применяются электрофильтры типа ОГ-3

Производительность электрофильтра определяется площадью сечения камеры, по которой проходит газ. Характеристика электро­ фильтра указывается в его марке. Например, марка электрофильт­ ра ОГ-3-15 означает, что очистка газа производится в трехпольном фильтре с площадью сечения камеры 15 м2.

Электрофильтр ОГ-3 изображен на рис. 42. Очищаемый газ движется горизонтально, последовательно проходя три камеры, каждая из которых является по сути отдельным электрофильтром. Корпус 6 электрофильтра снаружи покрыт слоем теплоизоляции для предотвращения конденсации серной кислоты из газа, содер-

73

Температура газа выше 500° С недопустима, так как это может вы­ звать деформацию металлических деталей.

Коронирующие электроды укреплены на рамах 10. Встряхива­ ние коронирующих 8 и осадительных 7 электродов производится при помощи специальных механизмов 11 и 16. Пыль стряхивается в бункер 4.

Следует отметить, что увеличение числа полей приводит к повы­ шению стоимости электрофильтра, поэтому в последнее время ста­ ли применять электрофильтры с удлиненными полями. В трехполь­ ном сухом электрофильтре с удлиненными полями может быть до­ стигнута такая же степень очистки газа от пыли, как в четырех­ польном и пятипольном.

В сернокислотной промышленности применяются также верти­ кальные электрофильтры ХК с кирпичным корпусом. Скорость газа в них 0,4—0,5 м/с. Скорость газа в электрофильтрах ОГ-3 для очи­ стки газа после механических печей несколько выше, чем после пе­ чей КС, и составляет 0,7—-1,2 м/с.

Попадание даже очень мелкой пыли в контактный аппарат не­ желательно, поэтому стремятся возможно более тщательно очищать газ от пыли. Однако следует учитывать, что повышение степени очистки газа от пыли связано с увеличением затрат на сооружение очистных устройств и расходов по их обслуживанию, поэтому в каждом отдельном случае оптимальную степень обеспыливания газа

§ 27. Получение концентрированного сернистого ангидрида

Концентрированный газообразный и жидкий сернистый ангид­ рид широко используют в промышленности для получения сульфи­ тов, моющих средств, в холодильной технике и других отраслях

75

промышленности. Сернистый ангидрид, предназначенный для этих целей, получают главным образом из обжигового газа, образую­ щегося при сжигании серы или серного колчедана.

Во многих производствах образуются отходящие газы с неболь­ шим содержанием SO2, которое недопустимо выбрасывать в атмос­ феру по санитарным соображениям (сернистый ангидрид вреден для людей и губит растительность). Кроме того, находясь в атмос­ фере, S02 постепенно окисляется до серного ангидрида, образую­ щего при соединении с влагой воздуха серную кислоту. Присутст­ вующая в воздухе сёрная кислота разрушает крыши, металлические конструкции, провода, кладку зданий, одежду и пр.

Санитарная очистка отходящих газов от сернистого ангидрида трудна и дорого стоит, использовать же эти газы непосредственно для получения серной кислоты экономически невыгодно. При сов­ мещении же газоочистки с получением концентрированного серни­ стого ангидрида процесс обезвреживания отходящих серосодержа­ щих газов становится рентабельным. Особенно большое количество сернистого ангидрида содержится в топочных газах тепловых элек­ тростанций, работающих на высокосернистых углях. Поэтому в не­ далеком будущем топочные газы должны стать основным источни­ ком получения концентрированного сернистого ангидрида, причем из них может быть получено такое количество концентрированного S02, что значительную его часть будет вполне целесообразно ис­ пользовать для производства серной кислоты.

Из многих предложенных методов концентрирования газов, со­ держащих малые количества сернистого ангидрида, наиболее ши­ роко применяют циклический метод с использованием жидкого аб­ сорбента (поглотителя). Отходящие газы промывают поглотительной жидкостью,

растворяющей сернистый ангидрид, который затем выделяют из раствора при нагревании. Получаемый при этом влажный концен­ трированный сернистый ан­ гидрид направляют непо­ средственно потребителям или сжижают для после­ дующего использования. После удаления сернистого ангидрида из поглотительно­ го раствора жидкость охлаж­ дают и вновь подают на аб­ сорбцию S 0 2.

Схема циклического абсорбционно - десорбционного метода извлечения из га­ зов и концентрирования сер­

76

ный (обезвреженный) отходящий газ выводится в атмосферу. Поглотительный раствор, насыщенный сернистым ангидридом, подо­ гревается в теплообменнике 4 раствором, освобожденным от S 0 2 в башне 3. Подогретый поглотительный раствор поступает на ороше­ ние башни 3, в нижнюю часть которой подают острый пар. Выде­ ляющийся из раствора в башне 3 сернистый ангидрид поступает на последующую осушку для удаления увлеченных им водяных паров. Далее концентрированный S 0 2 сжижают или перерабатывают в га­ зообразном виде. Освобожденный от S 0 2 (регенерированный) рас­ твор охлаждается сначала в теплообменнике 4, затем в холодиль­ нике 2 и возвращается на орошение абсорбционной башни 1.

В качестве абсорбентов сернистого ангидрида в промышлен­ ности применяют воду, растворы соды, сульфита и бисульфита ам­ мония, основного сульфата алюминия, фосфата натрия, известко­ вое молоко и ксилидин (водную эмульсию).

Простейший циклический способ концентрирования сернистого ангидрида — извлечение его из газов водой. При соприкосновении газовой смеси, содержащей S 02, с водой сернистый ангидрид рас­

Сернистая кислота при нагревании раствора разлагается с вы­ делением S 02. При нагревании водного раствора S 0 2 до 100° С сер­ нистый ангидрид отгоняется практически полностью, и после удале­ ния из газа водяных паров получают почти 100%-ный сернистый ангидрид. Однако воду нельзя считать хорошим поглотителем для концентрирования сернистого ангидрида. Из-за малой растворимо­

сти S0 2 в воде ее требуется очень много, что приводит к большому расходу пара.

Эти соли хорошо растворимы в воде, поэтому поглотительная спо­ собность растворов может быть значительна.

При нагревании насыщенного раствора вначале отгоняется S 0 2„ затем смесь, содержащая S 0 2 и NH3, а при дальнейшем повышении температуры раствора преимущественно NH3. Если раствор суль­ фитов аммония нагреть до кипения, отгонится лишь частыюглощенного S 02.

T7

Недостатком аммиачного метода является частичное окисление в присутствии кислорода сульфитов аммония до сульфатов. Ско­ рость окисления увеличивается в присутствии примесей железа, марганца и др. Сульфиты аммония могут также разлагаться в рас­ творе, образуя сульфаты аммония и элементную серу. Этот про­ цесс ускоряется в присутствии селена и теллура. При накоплении сульфата аммония раствор теряет поглотительную способность по отношению к S02.

В промышленности для поглощения S02 используют также ксилидиновый циклический метод. Поглотителем в данном случае яв­ ляется ксилидин, или диметиланилин (CH3)2C6H3NH2, образующий ■с сернистым ангидридом ряд неустойчивых соединений. Ксилидин (мол. вес 121,18) представляет собой коричневую жидкость, у ко­ торой т. кип. 212—223° С и пл. 0,98—0,997 г/см3.

Смесь ксилидина с водой, используемая для поглощения серни­ стого ангидрида, при отстаивании разделяется на два слоя: ниж­ ний — воду, верхний — ксилидин. При поглощении S 0 2 образуется сернистокислый ксилидин, который постепенно опускается ьниз, вы­ тесняя воду в верхний слой. В процессе абсорбции S 0 2 (до 100 г/л) ксилидин полностью реагирует с сернистым ангидридом и раство­ ряется в воде, а поглотительная смесь превращается в однородный водный раствор. После удаления S 0 2 смесь снова расслаивается на воду и ксилидин.

Технологическая схема процесса концентрирования сернистого ангидрида с применением ксилидина принципиально не отличается от схемы абсорбции S 02 аммиачной водой.

Известны и другие методы извлечения сернистого ангидрида, на­ пример щелочно-кислотные методы, заключающиеся в поглощении S 0 2 щелочным раствором и добавлении к полученному раствору сульфитов сильной кислоты. При этом протекают, например, сле­ дующие реакции:

При магнезитовом методе извлечения S 02 из низкоконцентри­ рованных газов поглотителем служит водная суспензия MgO. Вна­ чале сернистый ангидрид извлекается из газа в башне с насадкой, орошаемой поглотителем. Протекают следующие реакции:

(39)

Mg (ОН)2 + S02 + 5 Н20 - MgS03 • 6Н20 . f

Мало растворимый в воде шестиводный сульфит магния от­ фильтровывают и высушивают топочными газами в кипящем слое при 160—180° С. Затем сухую соль нагревают также топочными газами в кипящем слое вначале до 500, потом до 900—1000° С. При этом сульфит магния разлагается с выделением сернистого ангид­ рида и MgO, который охлаждают и возвращают в процесс, Таким

78

тате которых непосредственно получается серная кислота. Отходя­ щие газы тщательно очищают от пыли и обрабатывают растворами солей железа или марганца. В результате окисления сернистого ан­ гидрида образуется 25—30%-ная серная кислота. Этот способ при­ годен и для извлечения S 0 2 из отходящих газов производства сер­ ной кислоты контактным способом, так как эти газы не содержат взвешенных примесей. Образующаяся низкоконцентрированная сер­ ная кислота поступает в сборник первой промывной башни, где ее концентрация возрастает до 60—70% H2S 0 4, или передается в су­ перфосфатный цех для разбавления концентрированной серной кислоты.

Поскольку часть растворенного в олеуме серного ангидрида рас ходуется на образование S 02, олеум становится менее концентриро­ ванным и его возвращают в цикл олеумного абсорбера. Этот про­ цесс проводят в специальном реакторе. Образующийся при окисле­ нии серы S 02 вместе с выделяющимся из олеума серным ангидри­ дом последовательно проходит два фильтра, заполненных серой, с которой реагирует газообразный серный ангидрид. Для удаления из сернистого ангидрида остатков S 03 газ пропускают через два абсор­ бера с насадкой, орошаемой моногидратом (98,3% H2S 0 4), затем фильтруют для удаления брызг и кислотного тумана и комприми­ руют для сжижения S 02.

Для получения жидкого сернистого ангидрида газообразный концентрированный S 02 после предварительной осушки сжимают в компрессоре до давления 3,3-105 — 4 -105 Н/м2 и затем охлаждают

осушки его серной кислотой, проводя компримирование газа: в не­ сколько ступеней. Сначала из газа конденсируют водяные пары, ко­ торые таким образом выводят из системы, затем сжижают серни­ стый ангидрид.

79