КОЛОННА ДЛЯ КОНЦЕНТРИРОВАНИЯ КИСЛОТ
ACID CONCENTRATION COLUMN

Данное изобретение относится к аппаратам, применяемым для концентрирования растворов кислот, и может быть использовано в любых областях химической промышленности, в том числе при изготовлении нитратов целлюлозы.
В производстве нитратов целлюлозы серную кислоту, обычно использующуюся в составе нитрационных кислотных смесей как водоотнимающее средство, концентрируют с массовой доли 66-68% до массовой доли 92-95%. Техническая суть концентрирования серной кислоты заключается в удалении из нее части воды нагреванием, осуществляющимся в основном путем прямого контакта горячих газов с концентрируемой кислотой.
Известен способ концентрирования серной кислоты с применением трехкамерного барботажного концентратора (см. книгу: Гиндич В.И. Технология пироксилиновых порохов: T.1. Производство нитратов целлюлоз и регенерация кислот. - Казань: изд. ГосНИИХП, 1995 г. - стр.482-491). В этом аппарате концентрирование серной кислоты осуществляется путем барботажа горячих газов через упариваемую кислоту следующим образом. Отработанная серная кислота с массовой долей 65-68% и температурой 120-140°С поступает в третью (по ходу газа) камеру и через внутренние каналы постепенно перетекает из третьей камеры во вторую, далее - в первую. При перетекании из камеры в камеру кислота непрерывно барботируется топочными газами, постепенно нагревается, вода испаряется и уносится газами, а массовая доля серной кислоты повышается до 92-95%. Топочный газ для концентрировання используется с температурой до 800-900°С. Движение топочного газа и концентрируемой кислоты в аппарате осуществляется в противотоке.
Основными недостатками данного концентратора являются:
- образование в процессе концентрирования тумана и большого количества брызг серной кислоты, значительная часть которой, даже при наличии электрофильтров, выбрасывается в атмосферу с отходящими газами, существенно загрязняя окружающую среду;
- дополнительное применение на выходе отходящих газов электрофильтров для очистки от брызг и тумана серной кислоты, что связано с большими капитальными и эксплуатационными затратами.
Кроме барботажных концентраторов в промышленности также используются капельные концентраторы, представляющие собой трубу Вентури (см. вышеуказанную книгу Гиндича В.И. - стр.510-516), в которой потоком горячего газа кислота дробится, распыляется на мельчайшие капли с очень большой поверхностью. При этом происходит интенсивное взаимодействие горячих газов с каплями кислоты и удаление паров воды. Однако этот концентратор, как и барботажный, не лишен недостатков. Из-за высоких температур и эрозионного воздействия агрессивной кислотной среды материал футеровки горловины трубы теряет требуемую при протекании кислотной среды чистоту рабочей поверхности и быстро разрушается, что обуславливает ненадежность работы аппарата.
3
Из патентной литературы также известен способ концентрирования серной кислоты в колонне (патент РФ №2016842 от 18.06.1991 г., кл. С 01 В 17/88, опубл. 30.07.1994 г.), который заключается в 3-4 циклах контактирования кислоты с горячими топочными газами в режиме противотока. Последующим выпариванием газожидкостную смесь разделяют на жидкостный и газовый (дисперсный) потоки. В результате при таком способе концентрирования в колонне предотвращается образование тумана серной кислоты в отходящих газах и снижается содержание кислотных выбросов в них. Однако концентрировапие кислоты данным способом является недостаточно эффективным, поскольку в выбросах отходящих газов (в дисперсном потоке разделения) может содержаться до 1,0-1,4 кг/м остатков жидкой кислоты, что снижает общую экономичность и экологическую безопасность производства.
Известно также пятиступенчатое концентрирование серной кислоты в колонне в среде вихревого потока топочных газов (см. книгу: Гиндич В.И. Технология пироксилиновых порохов: T.I. Производство нитратов целлюлоз и регенерация кислот. - Казань: изд. ГосНИИХП, 1995 г. - стр.522-529). В данном случае удаление (испарение) воды из концентрируемой кислоты осуществляется при интенсивном ее взаимодействии с вихревым потоком горячих топочных газов.
Данный аппарат авторами выбран в качестве прототипа к предлагаемому изобретению. Согласно прототипу колонна концентрирования состоит из следующих частей:
- составного корпуса, представляющего собой полые и отлитые вместе с рабочими элементами царги;
- крышки с патрубками для отвода горячих газов и размещения датчиков температуры и давления;
- нижней части аппарата с тремя патрубками: один - для подачи топочных газов, другой - для аварийного слива кислоты, третий - для приема кислоты из второй ступени и подачи ее на первую.
Колонна имеет пять рабочих ступеней, две абсорбционные ступени для улова паров кислоты и одну брызгоулавливающую ступень. Колонна работает следующим образом. Слабая 68%-ная серная кислота подается для концентрирования на нижнюю царгу 5-й ступени, куда также перетекает уловленная в ходе работы слабая кислота из абсорбционной и брызгоулавливающей ступеней.
Концентрирование идет на рабочих ступенях колонны. Типовая рабочая ступень состоит из нижней и верхней царг, причем нижняя имеет патрубок для приема кислоты, а верхняя - для отвода. На каждой рабочей ступени концентрирования кислоты имеются вихревые контактные устройства, состоящие из завихрителя газового потока, расположенного на тарельчатой части нижней царги, и контактного патрубка, размещенного в полости верхней царги, причем завихритель газового потока имеет восемь тангенциально расположенных лопаток, образующих между собой тангенциальную щель для прохода газа, а между завихрителем и контактным патрубком имеется специальная щель для прохода кислоты.
Все ступени между собой связаны внешними кислотопроводами с U-образным соединением. По мере перетекания кислота из верхней ступени по линии перетока поступает на нижнюю царгу нижерасположенной ступени, затем попадает во внутреннюю полость между завихрителем и внутренней стенкой контактного патрубка и взаимодействует с вихревым потоком горячих топочных газов. При этом пары воды из массы кислоты извлекаются и уносятся газами вверх, а отсепарированная за счет центробежных сил масса концентрированной кислоты попадает за стенку контактного патрубка - в полость верхней царги и перетекает в полость нижней царги нижерасположенной рабочей ступени, после чего цикл концентрирования повторяется. Таким образом, концентрирование осуществляется на рабочих ступенях колонны при последующем перетекании кислоты с верхних на нижние ступени.
При пятиступенчатом упаривании на каждой ступени концентрация кислоты увеличивается примерно на 4-5%, в результате со 2-й ступени на 1-ю серная кислота поступает уже с массовой долей около 85-86%.
Однако данная конструкция колонны концентрирования имеет следующие недостатки.
1. Значительный унос в атмосферу с отходящими газами кислотных выделений в виде тумана, брызг и капель, происходящий при работе аппарата в промышленных условиях, обусловливается брызгоуносом из-за того, что контактный патрубок выступает в роли эжектора, создающего большие количества мелкодисперсных капель, что вызывает существенное ухудшение экологической обстановки на предприятии и вокруг него.
2. Небольшая площадь контактирования газового потока с кислотой обусловливает малую продолжительность их взаимодействия, что существенно снижает интенсивность удаления паров воды из кислоты и характеризует работу колонны концентрирования в целом как недостаточно эффективную.
3. Большие безвозвратные потери кислоты в результате кислотных выбросов в атмосферу повышают расходные коэффициенты, что также отражается на росте себестоимости выпускаемой продукции.
Техническим результатом настоящего изобретения является повышение эффективности и экономичности работы колонны концентрирования и исключение загрязнения окружающей среды кислотными выбросами.
Технический результат достигается тем, что в вихревом контактном устройстве, расположенном на каждой рабочей ступени концентрирования кислоты, высота контактного патрубка, размещенного в полости верхней царги, увеличена относительно высоты завихрителя по ходу движения топочных газов на величину не менее 5 мм, что сохраняет неизменным рабочее сечение между верхней царгой и контактным патрубком для беспрепятственного прохода газов вверх, на следующую ступень. При таком конструктивном изменении значительно возрастает площадь контактирования топочных газов с упариваемой кислотой. Дополнительное увеличение высоты контактного патрубка, размещенного в полости верхней царги, относительно высоты завихрителя позволяет интенсифицировать работу вихревого контактного устройства, расположенного на рабочей ступени концентрирования кислоты, за счет увеличения времени контакта кислоты с топочными газами.
На дополнительно увеличенной поверхности контактного патрубка по продольной оси в направлении, совпадающем с движением топочных газов, размещаются отверстия произвольной формы, сообщенные с полостью верхней царги. Эти отверстия в процессе сепарации газожидкостного потока предназначены для равномерного отвода поднимающегося вверх слоя кислоты за стенку патрубка - в полость верхней царги, после ее интенсивного контактирования с газами вихревого потока в полости между завихрителем и внутренней поверхностью контактного патрубка. Располагаемые на дополнительной поверхности контактного патрубка сквозные отверстия могут иметь любые технически возможные размеры. Через отверстия на контактном патрубке в полость верхней царги поступает только сконцентрированная кислота, а насыщенный водяными парами газовый поток через данные отверстия не проходит, а поднимается вверх, на следующую ступень. Т.е. разделение газожидкостного потока на газ и жидкость происходит уже после прохождения завихрителя вихревого контактного устройства, причем отверстия на дополнительно увеличенной поверхности контактного патрубка способствуют интенсификации процесса отделения жидкости от газа, выводя сконцентрированную кислоту из вихревого контактного устройства за область массообмена.
Для предотвращения уноса отдельных брызг кислоты вихревым газовым потоком на следующую ступень концентрирования контактный патрубок вверху, по внутреннему диаметру, заканчивается буртиком шириной и толщиной не менее 1 мм. Его максимальные размеры ограничиваются тем, что буртик не должен создавать существенное дополнительное сопротивление поднимающемуся вверх потоку газов и уменьшать эффективность сепарирования газожидкостного потока.
В результате изменения конструкции элементов рабочей ступени обеспечивается более продолжительный контакт газов с кислотой, эффективное удаление из последней паров воды и устранение уноса в атмосферу кислотных выделений в виде тумана, брызг и капель.
Такому изменению конструкции подвергаются все рабочие ступени колонны. Вследствие более эффективного удаления паров воды и значительного уменьшения уноса в атмосферу кислотных выделений в виде тумана, брызг и капель увеличивается соответственно кпд работы каждой ступени и всей колонны в целом. При этом концентрация кислоты на каждой рабочей ступени повышается примерно на 6-7%, а суммарный эффект концентрирования может достигать 95% и более.
Кроме того, более эффективная работа колонны, в свою очередь, позволяет уменьшить рабочую температуру исходных топочных газов на входе на первую ступень на 100-200°С, снизить тем самым перегрев кислоты и туманообразование и повысить в целом экономичность процесса концентрирования кислоты в колонне вихревым методом.
Типовой узел рабочей ступени концентрирования с верхней царгой и контактным патрубком, увеличенные по высоте на 100 мм, с 8 сквозными отверстиями прямоугольной формы на дополнительно увеличенной поверхности патрубка, приведены на фиг.1 и 2. Для данного примера контактный патрубок имеет следующие размеры:
Фиг.1. Узел рабочей ступени колонны концентрирования кислот.
Фиг.2. Контактный патрубок с отверстиями.
- увеличенная высота контактного патрубка а=100 мм;
- ширина отверстия в=20 мм;
- высота отверстия с=80 мм;
- ширина буртика S=20 мм;
1
- толщина буртика S=20 мм;
- количество отверстий n=8.
Колонна для концентрирования кислоты в вихревом потоке топочных газов по предлагаемому изобретению работает следующим образом.
Подлежащая концентрированию 68-70%-ная серная кислота с температурой 150-170°С поступает в полость нижней царги (1) 5-й рабочей ступени. Поднимающийся в пространстве между завихрителем (2) и внутренней поверхностью контактного патрубка (3) вверх вихревой поток топочных газов увлекает за собой через щель над тарелкой (4) порцию серной кислоты. Слой кислоты контактирует с горячими газами и за счет последних происходит его нагрев и эффективное удаление паров воды из кислоты. В то же время слой концентрированной кислоты, поднимаясь вверх, отводится за счет центробежных сил газожидкостного потока через имеющиеся тангенциальные отверстия (5) на стенке патрубка в полость верхней царги (6). Буртик, находящийся сверху на внутренней поверхности контактного патрубка, не дает возможности отдельным брызгам и каплям кислоты проскочить вверх вместе с газовым потоком. Концентрируемая серная кислота с вышерасположенной рабочей ступени поступает через патрубок (7) в полость нижней царги, а концентрированная кислота из полости верхней царги (6) отводится через патрубок (8) в полость нижней царги нижерасположенной рабочей ступени.
В данном примере работы колонны на стенке контактного патрубка на дополнительно увеличенной поверхности контактирования размещены тангенциальные отверстия как наиболее оптимальные, поскольку при таком размещении отверстий они не создают дополнительного сопротивления при движении слоя поднимающейся вверх концентрированной кислоты. В результате за счет центробежных сил газожидкостного потока она отводится через имеющиеся тангенциальные отверстия в полость верхней царги, а насыщенный водяными парами газовый поток поднимается вверх на следующую ступень концентрирования, минуя отверстия, затем проходит последовательно все ступени улова газов и брызг кислоты и выбрасывается в атмосферу.
Основными отличительными признаками конструкции колонны концентрирования по данному изобретению от прототипа являются:
- увеличение высоты верхней царги и контактного патрубка относительно высоты завихрителя в сторону движения топочных газов на величину не менее 5 мм;
- наличие на дополнительно увеличенной поверхности контактного патрубка размещенных сквозных отверстий произвольной формы;
- совпадение расположения отверстий по продольной оси с направлением движения топочных газов по внутренней полости контактного патрубка;
- наличие буртика шириной и толщиной не менее 1 мм в верхней части внутреннего диаметра контактного патрубка.
Вышеотмеченные отличительные (от прототипа) признаки в совокупности обеспечивают получение технического результата изобретения.
Таким образом, новая конструкция колонны концентрирования кислот, по сравнению с прототипом, имеет следующие преимущества:
- значительное повышение эффективности сепарирования газожидкостного потока в рабочей ступени (в полости между завихрителем и внутренней стенкой контактного патрубка) на газовые и кислотные составляющие. Эффективность концентрирования кислоты в колонне достигает не менее 94% вместо 90-92% по прототипу;
- резкое снижение при работе колонны явлений туманообразования, выбросов в атмосферу и уноса кислот газовым потоком, что способствует практическому исключению загрязнения окружающей среды токсичными веществами и улучшению в целом экологической обстановки вокруг производства;
- снижение из-за резкого уменьшения выбросов кислоты себестоимости продукции;
- повышение экономичности работы колонны концентрирования. Данное изобретение позволяет создать новую конструкцию промышленной колонны концентрирования кислот, обеспечивающую высокую эффективность, экономичность и экологическую безопасность работы.