книги из ГПНТБ / Кузнецов И.Е. Защита атмосферного воздуха от загрязнения
.pdfих устанавливали в несколько ярусов по высоте аппарата. В качестве поглотителей в исследованиях были испытаны водные растворы Са(ОН) 2 , Ыа2СОз и NH4 OH.
С. целью выявления оптимальных технологических пара метров очистки изучали"влияние на скорость процесса ос новных физико-химических и гидродинамических пара метров.
Влияние скорости вращения распылителя. Эти исследо вания позволили установить, что увеличение скорости вра щения распылителя сопровождается более тонким диспер
гированием |
жидкости. Это приводит к увеличению |
поверх |
||||||
ности жидкой фазы и росту скорости абсорбции S02 . Од |
||||||||
нако |
при достижении |
некоторого |
предела |
(20—25 |
м/сек) |
|||
увеличение |
окружной |
скорости распылителя |
не влияет на |
|||||
скорость абсорбции. Это свидетельствует |
о |
переходе про |
||||||
цесса абсорбции из диффузионной |
в кинетическую |
область. |
||||||
Для |
объемной скорости газа 400 ч а с . - 1 и плотности ороше |
|||||||
ния |
до 1 м3/м2-час оптимальной |
окружной |
скоростью яв |
|||||
ляется 25 м/сек. Степень очистки |
1 % газа |
от S0 2 |
достигает |
|||||
при этом 99%. |
|
|
|
|
|
|
||
Влияние |
объемной |
скорости газа. Увеличение |
объемной |
скорости газа приводит к некоторому увеличению турбулизации системы и, следовательно, увеличению конвектив ной диффузии. Однако ввиду возрастания абсолютного ко личества газа, проходящего через аппарат, уменьшается время контакта фаз, степень очистки газа. Установлено,
что степень |
очистки газа |
от S0 |
2 |
на 99—100% |
возможна |
||||||
лишь |
при |
объемной |
скорости |
|
газа |
не |
более |
150— |
|||
200 м3/м3-час. |
При более |
низких |
степенях |
очистки |
(90— |
||||||
98%) |
объемная |
скорость |
может |
|
быть увеличена |
до 500— |
|||||
1000 м3/м3• |
час. |
Линейная |
скорость газа |
при этом |
может |
||||||
составлять |
1—5 |
м/сек. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Влияние |
плотности |
орошения. |
|
В полых распылительных |
абсорберах высокие степени очистки газа достигаются при
сравнительно |
|
малом |
расходе |
поглотительного |
раствора. |
|
Для объемной |
скорости газа |
97,8 мг/м3-час |
и |
плотности |
||
орошения 0,74 м3/м2-час |
наступает практически полное по |
|||||
глощение S0 2 |
(99,8%). С увеличением объемной |
скорости |
||||
газа до 358 |
м3/м3-час |
и той же плотности |
орошения сте |
|||
пень очистки |
снижается до 98,7%. Высокие |
степени очист |
ки газа при малых плотностях орошения объясняются тон ким диспергированием жидкости, приводящим к образова нию сплошной завесы, состоящей из мельчайших .капелек поглотительного раствора. При плотности орошения ниже 0,4 м3/м2-час доля участков неорошаемого объема возра-
стает, что приводит к резкому снижению степени абсорб ции. К такому же результату приводит снижение степени диспергирования жидкости. В общем случае оптимальная величина плотности орошения зависит от условий диспер гирования жидкости. Чем крупнее капли, образующиеся при распылении жидкости, тем большую плотность ороше ния необходимо принимать. В производственных условиях трудно достичь равномерного и тонкого диспергирования жидкости по всему объему аппарата, вследствие чего для уменьшения доли неорошаемых участков плотность ороше ния следует увеличивать до —20—30 м3/м2-час.
Влияние концентрации раствора. При поглощении SO2
раствором Na 2 C0 3 образуется сульфит и бисульфит натрия по. суммарным уравнениям:
2Na2CCb + S0 2 - f Н 2 |
0 = 2NaHC03 + |
Na2 S03 |
(60) |
|
2NaHC03 + S0 2 = |
Na2 S03 + |
2C02 + |
H 2 0 |
(61) |
Na2S03 + 2S02 |
+ H 2 0 = |
2NaHSOa |
(62) |
Таким образом, в процессе поглощения S0 2 происходит изменение состава поглотительного раствора, что приводит к изменению его абсорбционной способности.
Парциальное давление S0 2 над растворами Na2SCh и NaHSCh выражается уравнением:
|
Hso, — М — |
. |
|
|
^NaAS03 |
|
|
где |
М — коэффициент, зависящий от температуры: |
||
|
1вМ = 4,519 - — |
- |
|
Из |
этих уравнений видно, что для белее полного |
поглоще |
|
ния |
S02 в поглотительном растворе должен быть |
преиму |
щественно Na2SCh, образующийся по реакции (60), и про цесс абсорбции должен протекать при пониженных темпе ратурах. Поэтому для увеличения скорости абсорбции S0 2 процесс ведут, используя не свежие растворы Na2 C03 , а растворы, содержащие значительное количество солей
,Na2 S03 . С этой целью начальное содержание Na2 C03 в растворе должно быть на уровне 60 г/л. Большее и меньшее
содержание Na2CCb в растворе приводит к снижению ско рости абсорбции двуокиси серы.
Влияние температуры. Установлено, что с ростом тем пературы от 10 до 40° С степень абсорбции S0 2 возрастает на 2,5%. Это связано, очевидно, со снижением вязкости раствора, поглотительная способность которого в этих ус-
ловиях повышается. Дальнейшее |
повышение температуры |
||
приводит к некоторому снижению |
степени |
очистки газа. |
|
Влияние концентрации |
газа. В |
области |
низких концент |
раций SO2. дальнейшее |
снижение |
ее концентрации в газе |
приводит к незначительному снижению степени абсорбции.
Так, |
при снижении содержания S0 2 в газе с 1,5 |
до 0,5% |
при |
объемной скорости газа 368 м3/м3-час степень |
абсорб |
ции снижается всего на 0,2%. Это свидетельствует о том,
что упругость |
паров SO2 над раствором Na2S03 |
и NaHSC>3 |
||||||
незначительна |
и имеется |
реальная |
возможность полного |
|||||
извлечения его из газа |
раствором соды. |
|
|
|||||
Серия опытов по абсорбции S0 2 была проведена с ис |
||||||||
пользованием |
растворов |
Са(ОН)г. |
Эти |
исследования по |
||||
казали, |
что |
закономерность абсорбции |
S0 2 |
суспензией |
||||
С а ( О Н ) 2 |
та |
же, что |
и |
в |
случае |
применения |
растворов |
|
Na2 C03. Общая скорость |
абсорбции |
растворами |
С а ( О Н ) 2 |
|||||
в одинаковых |
условиях на |
7—10% |
ниже, |
чем растворами |
||||
Na2 C03 . |
Кроме того, |
здесь |
появляются |
дополнительные |
трудности, связанные с наличием в растворе твердых ча стиц Са(ОН) 2 , способных засорять коммуникации установ ки. Если учесть относительную дороговизну Na 2 C0 3 по сравнению с Са(ОН) 2 , то в промышленных условиях по следний поглотитель может быть использован с большей эффективностью.
С целью перенесения результатов лабораторных опытов на промышленные объекты результаты проведенных иссле дований обобщены нами по методу подобия и анализа раз мерностей. В результате получено критериальное уравне ние, позволяющее производить расчет процесса адсорбции
S0 2 в полых распылительных |
абсорберах. |
|
|
|||||
Предполагая искомую зависимость в форме степенных |
||||||||
функций, на основании анализа размерностей |
получено |
|||||||
уравнение связи между критериями: |
|
|
|
|||||
|
ARe » Rehr Pr^ Prh K p m K i e S£ S* Г = |
1, |
(63) |
|||||
где к е ж |
= |
nc-d2p |
критерий |
Рейнольдса |
для |
жидкости; |
||
vr -dp |
||||||||
Rer |
= |
— критерий |
Рейнольдса |
для |
газа; |
|||
|
||||||||
Р г ж |
= — |
диффузионный |
критерий |
Прандтля |
||||
|
|
|
для жидкости; |
|
|
|
||
Ргг |
= — |
— диффузионный |
критерий |
Прандтля |
||||
|
|
Dr |
|
|
|
|
|
для газа;
К р = — - |
— критерии, характеризующий |
плот- |
|
ность орошения; |
|
Кі = К д d р |
— диффузионный критерий Кирпичева; |
Sv = — — симплекс полей вязкости;
"'г
Q
Sc = —- — симплекс полей концентрации;
Г = — — симплекс геометрического подобия, dp
В результате обобщения экспериментальных данных определены коэффициенты и показатели степени критери ального уравнения массообмена:
Ki = |
A t Re°;2 2 Re°'8 К0 '4 8 |
Pr°'5 |
S°-3 S- °л ь , |
(64) |
где A t = 1,21 - 10 - 5 Рг ж . |
|
|
|
|
Уравнение |
74 проверено в |
широком интервале |
гидро |
|
динамических |
и физико-химических |
условий работы |
уста |
новки. Оно показало хорошую сходимость расчетных и опытных значений коэффициентов массопередачи при сле
дующих условиях; |
С г = |
0,1—1,5%S02; |
С ж = 10—200 г/л |
|||||
Ыа2 СОз |
и |
Са(ОН) 2 ; |
V 0 = |
5,0—30 |
м/сек; |
W = 40— |
||
600 м3/м3-час; Р = |
0,2—6 м3/м2-час. |
Отклонение опытных |
||||||
значений |
диффузионного |
критерия |
Кі |
от расчетных по |
||||
уравнению |
(64) не превышает 5%. |
|
|
|
||||
|
|
Очистка отходящих |
газов от S 0 2 |
с получе |
||||
|
|
нием сульфата аммония |
|
|
||||
|
|
При |
абсорбции |
S0 2 с помощью |
растворов |
|||
Ыа2 СОз и |
|
С а ( О Н ) 2 |
получают |
щелока, |
имеющие ограни |
ченное применение в народном хозяйстве. С целью повы шения эффективности процесса очистки газов от S02 , а также получения более ценного побочного продукта в ка честве поглотителя сернистого ангидрида испытан водный раствор аммиака.
При взаимодействии водного раствора аммиака с сер нистым газом протекают реакции:
2NHs + |
S02 + |
H 2 0 - > (NH4 )2 S03 |
(65) |
(NH 4 ) 2 S0 3 |
+ S0 2 |
+ H 2 0 - > 2NH4HSO3. |
(66) |
Результаты проведенных опытов позволяют |
сделать |
вывод, что увеличение концентрации сульфита аммония от
20 |
до 100—ПО |
г/л вызывает |
увеличение |
степени |
абсорб |
ции |
S02 , после |
чего степень |
абсорбции с |
ростом |
концент |
рации поглотительного раствора изменяется незначительно.
Максимальная степень |
абсорбции, равная 98%, |
полу |
чена при концентрации |
сульфита аммония 130 г/л. |
Пода |
ча аммиака в установку производилась, исходя из стехио-
метрических |
расчетов, и составляла 1 вес |
% в |
растворе. |
|||||
Изменение |
концентрации |
S0 2 |
в газе |
незначительно ска |
||||
зывалось на общей степени очистки газа. |
|
|
||||||
Получаемые |
в |
результате |
очистки |
газа |
от S02 раство |
|||
ры N H 4 S O 3 |
и |
NH |
4 HS0 3 > |
так же, как |
и CaS03 , |
Na2 S03 и |
NaHSC>3, имеют ограниченное применение в народном хо зяйстве. Поэтому следующая серия опытов была посвя
щена изучению скорости окисления сульфита |
и бисуль |
||
фита аммония в сульфат аммония: |
|
||
2(NH 4 ) 2 S0 3 + 0 2 |
= |
2(NH 4 ) 2 S0 4 |
(67) |
2NH4 HS03 +2NH3 + 02=2(NH4 )2S04 |
(68) |
||
Исследования проводили |
в |
механическом |
абсорбере, |
куда непрерывно подавались сульфит аммония, аммиак, кислород или воздух. Скорость вращения дисков абсор бера во всех опытах составляла 1500 об/мин.
Из опытных данных следует, что по мере увеличения концентрации исходных растворов время полного окисле ния сульфита в сульфат воздухом возрастает. Так, для на
чальной концентрации |
118 г/л |
(N^bSC b |
оно составляет |
|
100 мин, а для |
250 г/л— 550 мин. С увеличением скорости |
|||
пропускания воздуха |
скорость |
окисления |
(NH4 )2 S03 не |
|
увеличивается, |
что свидетельствует о протекании процесса |
|||
в кинетической |
области. |
|
|
|
При использовании |
кислорода скорость |
окисления суль |
фита аммония возрастает примерно в 60—80-раз по сра внению со скоростью окисления (NH4 )2S03 воздухом. Пол ное окисление (NH4)2 S03 возможно лишь в концентриро ванных растворах. Малоконцентрированные растворы сульфита аммония окисляются неполностью, хотя времени на их окисление требуется меньше.
Очистка газов от сернистого ангидрида водными растворами перекиси водорода
Ввиду значительной |
растворимости |
серни |
||||
стого ангидрида в водных растворах |
H 2 S O 4 реакция |
окис |
||||
ления S0 2 в жидкой |
фазе протекает |
с большой |
скоростью. |
|||
В промышленности |
для окисления S02 в |
SO3 в |
нитрозном |
|||
способе производства H 2 S O 4 |
применяют |
растворы |
нитро- |
|||
зилсерной кислоты |
H N S O 5 . |
Парциональное давление S02 |
над растворами нитрозилсерной кислоты невелико, что поз
воляет получить |
степень превращения S0 2 |
в SO3 на |
96— |
||
98%. |
Остаточное |
содержание S02 в отходящих газах |
при |
||
этом |
составляет |
0,2—0,3%- |
Дальнейшее окисление S02 в |
||
S03 |
нитрозой с |
получением |
H 2 S O 4 затруднительно |
из-за |
|
малого содержания в газе S02 . |
|
|
|||
Исследования |
показали, |
что остаточное |
количество |
S02 |
в газе может быть полностью окислено и абсорбировано растворами перекиси водорода.
Установка |
по окислению и абсорбции S02 |
растворами |
|||
Н 2 0 2 |
(рис. |
27) состоит из двух колонок |
( 0 |
28 |
мм, |
Н = |
500 мм) |
с пенным контактом фаз 1, смесителя |
2, |
рео |
метров 3, баллона с сернистым ангидридом 6 и воздухо
дувки |
5. Для сравнения скорости окисления и абсорбции |
||
S02 и |
N0 в газовую смесь |
из |
баллона 4 дозировалась |
окись |
азота. |
|
|
В процессе исследований изучалось влияние на ско |
|||
рость |
окисления и абсорбции |
S0 2 |
высоты слоя пены (вре- |
Рис. 27. Схема экспериментальной установки для изучения процесса абсорбции SO2 перекисью водорода: ,1—реактор; 2—смеситель; 3—рео
метр; 4—баллон с окисью азота; 5—газодувка; 6—баллон с серни стым ангидридом.
мени абсорбции), концентрации раствора Н2О2, концент
рации |
S0 2 в |
газе, объемная скорость газа, время защит |
|||
ного действия |
растворов. |
|
|
||
Из |
рис. 28 видно, |
что степень |
очистки газа от S0 2 |
со |
|
ставляет 100% даже при использовании разбавленных |
рас |
||||
творов |
Н 2 0 2 . Применяя 0,1%-ный |
раствор Н 2 0 2 , достигали |
|||
полной |
очистки газа |
от SO2 лишь |
в первые 5 мин. За это |
||
время |
вся перекись |
водорода вступает в реакцию, и |
сте |
пень очистки быстро снижается до 0%.
109, N 4 |
\ |
^80 |
|
t |
|
I |
|
|
1 |
| 2 0 |
1
Нргны -ЗРОмм
Cso2 =0,2%
t =20"с
W=470?-'
•1-НцО
-3-0,2. |
|
-4-0,3-.,- |
|
-5-0,5-»- |
|
6 ~3,0-„- |
- |
|
|
|
SO |
100 |
|
150 |
200 |
_ |
250 |
300 |
|
||
|
|
|
|
ВРЕМЯ РАБОТЫ - С, MUH |
|
|
|
||||||
Рис. |
28. |
Время защитного действия растворов перекиси водорода |
раз |
||||||||||
личной |
концентрации. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Увеличивая концентрацию |
раствора |
Н 2 |
0 2 |
до 0,2; |
0,3; |
||||||||
0,5; |
3,0%, увеличивали |
время |
защитного |
действия. |
Сте |
||||||||
пень очистки во всех случаях составляла 100 %. |
|
|
|||||||||||
Из |
этого следует, что концентрация |
перекиси |
водорода |
||||||||||
практически не влияет на степень очистки |
газа |
от SO2, а |
|||||||||||
время |
защитного |
действия |
раствора |
зависит |
лишь от ко |
||||||||
личества |
содержащейся |
в |
растворе |
Н 2 0 2 . |
Из |
рис. 29-а |
|||||||
видно, |
что при 3%-ном |
растворе Н2 Ог степень очистки га |
|||||||||||
за |
не |
зависит от высоты слоя пены. Полная |
абсорбция |
||||||||||
S0 2 |
наблюдалась |
при высоте слоя пены |
100 мм и 500 мм. |
||||||||||
Применяя 0,1%-ный р-р Н2О2, абсорбция |
S0 2 |
возможна |
|||||||||||
лишь |
при высоте |
слоя пены 300 мм и выше. Степень аб |
|||||||||||
сорбции |
S0 2 не снижается |
при увеличении |
объемной ско- |
і'
2, /
i t
I |
t |
-же |
|
|
|
|
|
1 |
сии |
чии |
щи |
й |
|||
Высота |
слоя п*ны |
Нг мм |
П |
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
СІО2=0,2% |
|
|
|
\\ |
|||
* | |
60 |
t |
=30'С |
|
|
||||
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|||||
І |
20І50 |
|
3 |
0 |
0 |
4 |
3 |
0 |
600. |
|
оїьемная |
спорость tasa W, част |
Рис. 29. Влияние высоты слоя пены Н и объемной скорости газа W на степень абсорбции S 0 2 а-вод- ными растворами перекиси водорода: 1—3%-ный раствор Н 2 0 2 ; 2—0,1%-ный раствор Н 2 0 2 .
рости газа до 600 ч - 1 |
(в пересчете на объем пены). Сни |
|
жение степени |
абсорбции с ростом объемной скорости га |
|
за 'наблюдается |
лишь |
при использовании слабых раство |
ров Н 2 0 2 |
(рис. 30-6, кривая 2). |
|
|
|||||
С одинаковым успехом окисляются и абсорбируются |
||||||||
газы, содержащие |
от |
0,1 |
до |
0,7% |
S0 2 |
(рис. 30). Расход |
||
перекиси |
водорода |
во |
всех |
исследованиях соответствовал |
||||
•стехиометрическому. |
|
|
|
|
|
|
||
|
Очистка |
газов |
от |
S 0 2 |
торфощелочными |
|||
|
композициями |
|
|
|
||||
|
Очистка газов |
от сернистого ангидрида тор |
фом осуществлялась на установке с кипящим слоем. Це лью исследования было изучение влияния основных фи зико-химических параметров на скорость абсорбции S02 торфощелочными композициями. Для исследования при менялся фрезерный торф влажностью до 50%. В каче стве добавок к торфу служили кальцинированная сода, апатитовый концентрат, аммиачная вода и газообразный аммиак.
При |
взаимодействии |
добавок |
с |
S0 2 протекают |
сле |
||
дующие реакции: |
|
|
|
|
|
||
|
S0 2 |
+ |
Ыа2СОз —> Na2 S03 |
+ С 0 2 |
(69) |
||
|
S0 2 |
+ |
2NH8 |
+ Н 2 0 - + |
(NH„)2 S03 |
(70) |
|
|
(NH4 )2 S 0 3 + |
VaOa - » |
(NH4 )2 S0 4 |
(71) |
|||
Результаты поглощения S0 2 торфощелочными компо |
|||||||
зициями |
показаны |
на рис. 31. Торф без добавок обладает |
малой (способностью адсорбировать S02 . Через час ра боты степень очистки снижалась до 72%. Несколько боль шая степень очистки газа наблюдалась при добавлении к
торфу |
С а 5 ( Р 0 4 )зР |
(кривая 2) |
и Ыа2СОз (кривая 3). До |
бавка |
Ca 5 (P0 4 ) 3 F |
и Ыа2СОз |
обеспечивает сравнительно |
высокие степени очистки лишь |
в первые 10—20 мин. ра |
боты аппарата, после чегостепень очистки быстро падает. Это связано с расходованием добавок (в процессе работы они не пополнялись). Лучшие результаты получены при непрерывной подаче в кипящий слой торфа аммиака. Сте пень очистки в течение 90 мин. в этом случае не падала ниже 93%. Добавка к торфу апатитового концентрата мо жет быть осуществлена лишь с целью повышения агро-
ч
,2
Ни#*ы" ЗООмм
t = 20°С
оv °»2 0,3 Ofi Ofi 0,6
концентрация Щ%
Рис. ЗО. Влияние концентрации газа ma степень аб
сорбции а-водными растворами перекиси водорода: /—3%-ный раствор Н 2 0 2 ; 2—0,1%-ный раствор Н 2 0 2 .
• Н>, 30 50 70^90 МО бремя опыта \мин
Рис. 31. Влияние времени на степень абсорбции тор фом: 1—торф без добавок: 2—с добавкой 1%' Са3 (Р04 )з; 3 - е добавкой 1% Na2 C03 ; 4—стехио- метрическое количество NH3 .