1.3 Методы охлаждения серной кислоты в теплообменниках
Аппараты для охлаждения серной кислоты можно разделить на теплообменники:
- типа «труба в трубе»,кожухотрубчатые с любым числом ходов и любого типа (ТН, ТЛ, ТП, ТУ), спиральные, оросительные, погружные, водяные холодильники, аппараты воздушного охлаждения, пластинчатые теплообменники, каждый из которых включает свой набор конструкций аппаратов, применяемых для конкретных случаев.
В существующем сушильно-абсорбционном отделении установлены четыре секционных холодильника АВЗ, имеющие развитую теплопередающую поверхность (315 м2). Эксплуатация таких холодильников показала достаточную коррозионную стойкость к кислотам сушильных башен.
К новым способам охлаждения серной кислоты, получившим широкое распространение, относят технологию пластинчатого теплообмена. Данная технология позволяет достигнуть пика производительности там, где обычные теплообменники терпят поражение. Одной из главных отличительных особенностей такой технологии является обеспечение большой площади поверхности теплообмена, посредством которой тепло передается от одной среды к другой, что упрощает технологию сушильно-абсорбционного отделения.
В проектировании установок охлаждения серной кислоты наибольших успехов достигли аппараты фирм Monsanto и Boliden. Их отличие состоит в том, что установка Monsanto представляет из себя теплообменник, состоящий из ряда тонких металлических пластин с гофрированной поверхностью, которые скрепляются между собой посредством уплотнительных прокладок или соединяются сваркой. Пластины сжимаются в пакет на жесткой раме с направляющими при помощи мощных прижимных плит и стяжных болтов, чтобы создать технологическую систему для заполнения параллельных каналов.
Особенностью конструкции теплообменника «Альфа-Лаваль» фирмы Monsanto является то, что теплообменник может работать при давлении до 2,5 Мн/м2 (25 кГ/см2) и температуре от минус 150ºС до 400ºС. Имеет высокий коэффициент теплоотдачи.
Кроме хороших технологических показателей по охлаждению серной кислоты использование пластинчатых холодильников позволило уменьшить удельную металлоемкость аппаратов в 3 раза и сократить производственные площади в 1,5 раза, зарекомендовал себя как надежный аппарат при сравнительно небольших капитальных и эксплуатационных затратах. Надежность пластинчатого холодильника, в частности, обусловлена тем, что в его конструкции нет сложного механического оборудования.
Рис. 1.6 – Общий вид разборного пластинчатого холодильника «Альфа – Лаваль»
1.4 Физико-химические основы производства серной кислоты
Процесс производства серной кислоты включает в себя четыре основные стадии: очистка серосодержащего газа от вредных примесей и пыли, осушка газа, окисление сернистого ангидрида в серный, абсорбция серного ангидрида.
1.4.1 Физико-химические основы процесса очистки газа
В очистном отделении газ подвергается обработке для выделения примесей, присутствие которых недопустимо в газе, поступающем в цех производства контактной серной кислоты (остатки пыли, мышьяк, фтор, пары воды и др.), и для извлечения ценных примесей (селен, теллур и др.).
По нормам технологического режима содержание пыли в газе после очистки не должно превышать 100 мг/м3. Казалось бы, такое содержание пыли невелико. Однако порой и этого количества достаточно, чтобы вызвать повышение гидравлического сопротивления аппаратов, не рассчитанных на работу с запыленным газом. Поэтому отходящий газ медеплавильного производства, прежде всего, тщательно очищают от пыли.
Основные примеси обжигового газа (As2O3, SeO2 и др.) находящиеся в газо- и парообразном состоянии, выделяются при промывке газа серной кислотой, имеющей более низкую температуру, чем очищенный газ. Эти примеси частично растворяются в серной кислоте, но большая их часть переходит в состав сернокислотного тумана. Кроме SO2, обжиговый газ содержит небольшое количество триоксида серы и паров воды, которые при охлаждении газа взаимодействует с образованием паров серной кислоты. В первой промывной башне газ очень быстро охлаждается, при этом пары серной кислоты конденсируются в объеме в виде тумана – мелких взвешенных в газе капель.
Суммарная поверхность капель тумана серной кислоты весьма велика, поэтому в них растворяется большое количество As2O3, SeO2 и других примесей, выделяющихся из газа вместе с туманом в промывных башнях и электрофильтрах. Тщательная очистка газа от тумана необходима для выделения не только примесей, отравляющих контактную массу, но и серной кислоты, содержащейся в каплях тумана. При прохождении газа через аппаратуру и трубопроводы этот туман осаждается на стенках, вызывая коррозию. При плохой очистке газа особенно большое количество тумана серной кислоты может выделяться в нагнетателях, так как высокая окружная скорость газа в них благоприятствует выделению мелких капель кислоты. Наиболее разрушительное действие производит туманообразная серная кислота в контактном отделении. Продукты коррозии, образующиеся при взаимодействии серной кислоты с металлом труб контактных аппаратов, подогревателей и теплообменников, увеличивают сопротивление аппаратуры, уменьшают коэффициенты теплопередачи и вызывают отложение твердых корок на первых слоях контактной массы.
В газе после промывных башен содержится незначительное количество газообразных мышьяковистого ангидрида (As2O3) и диоксида селена (SeO3). Это объясняется невысоким давлением насыщенных паров этих веществ, которое снижается еще более в присутствии сернокислотного тумана в газе, поскольку оба оксида растворяются в серной кислоте.
Обжиговый газ охлаждается в трех промывных башнях, из которых первая орошается 15 %-ной, вторая 3 – 4 %-ной, а третья 1 – 2 %-ной серной кислотой. Образующийся при этом туман лишь частично (на 30 – 50%) поглощается в промывных башнях, полностью же он выделяется только в мокрых электрофильтрах. Капли тумана абсорбируют образовавшиеся под действием электростатического поля ионы газа, заряжаются, движутся к осадительным электродам, отдают им свой заряд и стекают в виде жидкости, а очищенный от примесей газ выходит из электрофильтра. Вместе с туманом в промывном отделении выделятся пыль, мышьяк, селен и другие примеси.
Для улучшения условий выделения тумана в электрофильтрах понижают температуру газа и уменьшают концентрацию орошающей кислоты во второй и третьей промывных башнях. Относительная влажность газа растет, что приводит к поглощению паров воды каплями тумана и увеличению размера капель. В мокрых электрофильтрах температура газа снижается еще более в результате потерь тепла в окружающую среду. Это способствует возрастанию относительной влажности газа и дальнейшему укрупнению капель тумана.
С увеличением размера капель (частиц) они воспринимают в электрофильтре больший заряд и соответственно с большей силой притягиваются к осадительным электродам. С понижением концентрации кислоты орошающую вторую и третью башню скорость движения капли в электрическом поле возрастает пропорционально увеличению ее размера.
В электрофильтрах вместе с туманом серной кислоты из газа выделяются мышьяк, селен, огарковая пыль и другие примеси. Сконденсированная серная кислота вместе с осажденными примесями поступает в отстойник.
Обычно в кислоте, вытекающей из первой промывной башни, содержится до 1 % As2O3. При охлаждении такой кислоты до 50 °С часть триоксида мышьяка выпадает в осадок. Выделяющийся мышьяковый ангидрид отлагается на змеевиках холодильников и стенках сборников и кислотопроводов.
Огарковая пыль практически полностью выделяется из обжигового газа в очистном отделении. Количество пыли в промывной кислоте зависит от ее содержания в газе после сухого электрофильтра и от того, сколько пыли осаждается в отстойниках и холодильниках кислоты. Поэтому концентрация взвешенных частиц и количество остатка после прокаливания в промывной кислоте колеблется в широких пределах.
Диоксид селена полностью извлекается из газа и растворяется в каплях сернокислотного тумана и в орошающей кислоте. Растворимость SeO2 в серной кислоте высока и увеличивается с повышением температуры. Растворяющийся в серной кислоте SO2 восстанавливает диоксид селена [1-5].
Металлический селен осаждается в отстойниках, в холодильниках кислоты, на насадке башен и особенно в мокрых электрофильтрах, где выделяется основное количество сернокислотного тумана.