Анализ закономерностей гидравлического сопротивления смоченных волокнистых фильтрующих материалов

О. В. Царева, Р. А. Халитов, Е. А. Махоткина АНАЛИЗ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ

СМОЧЕННЫХ ВОЛОКНИСТЫХ ФИЛЬТРУЮЩИХ МАТЕРИАЛОВ

Ключевые слова: туман серной кислоты, стекловолокнистый фильтрующий материал,

брызготуманоуловитель.

Приводятся экспериментальные данные результатов исследования гидравлического сопротивления различных фильтрующих материалов, применяемых для улова тумана кислот. Представлена новая конструкция брызготума-ноуловителя и результаты ее внедрения в производство.

Sulfuric acid fume, glass-fibre filter material, spatter and fume eliminator.

The experimental data research of various filtering medium's hydraulic resistance used for sulfuric acid fume catching are resulted. The new construction spatter and fume eliminator and results of its intrusion in production is submitted.

Проблема очистки отходящих газов от брызг, паров и тумана токсичных веществ в химической промышленности является актуальной. Например, на стадиях нитрации целлюлозы образуется значительное количество тумана азотной кислоты, на стадии регенерации отработанных кислот - большое количество тумана серной кислоты. В крупнотоннажном производстве серной кислоты после стадии абсорбции триоксида серы в газовом потоке содержится значительное количество брызг, паров и тумана серной кислоты [1]. Для улова тумана кислот применяют различные конструкции брызготуманоуловителей. При этом сначала улавливают пары и брызги кислоты, а затем улавливают туман. Эффективный улов брызг осуществляется в вихревых контактных устройствах с волокнистыми фильтрами [2]. Для улова тумана кислот наиболее эффективно применение рукавных фильтрующих элементов.

Анализ влияния гидравлического сопротивления и эффективности работы фильтрующих элементов на технико-экономические показатели работы крупнотоннажного производства серной кислоты показал, что в дальнейшем следует стремиться к увеличению степени улова тумана серной кислоты. Последнее окупается снижением коррозии аппаратов, расположенных после брызготуманоловушки, и повышением надежности производства. На этой основе нами разработаны новые более эффективные аппараты для улова тумана кислоты. Эффективность и надежность новых аппаратов значительно выше эффективности известных и действующих аппаратов при равном гидравлическом сопротивлении.

При разработке брызготуманоуловителей необходим научно-обоснованный выбор фильтровального материала. Фильтровальный материал должен выдерживать агрессивную среду, обеспечивать требуемую степень очистки газов, обладать низким гидравлическим сопротивлением, быть надежным и относительно дешевым. Известные фильтрующие элементы изготавливают из полипропилена, стекловолокна, фторина, базальта, углеграфитового материала и др. Нами проведено исследование гидравлического сопротивления различных фильтрующих материалов, параметры которых представлены в таблице 1.

Необходимо отметить, что туман, например, азотной кислоты является крупнодисперсным. Размер частиц данного тумана довольно большой и достигает 5 мкм [1]. Для улова тумана азотной кислоты достаточно использовать фильтр, состоящий из двух слоев фильтровального материала. Сложнее улавливать туман серной кислоты. Это объясняется тем, что размер частиц тумана серной кислоты составляет менее 1 мкм. Поэтому для обеспечения эффективного улова тумана серной кислоты необходимо применять фильтры с более высокой плотностью упаковки слоя. Последнее приводит к повышению гидравлического сопротивления фильтра [3].

Таблица 1 - Параметры исследованных фильтровальных материалов

Тип иглопробивного волокнистого фильтрующего материала Толщина, мм Масса на едини-2 цу площади, г/м Воздухопроницаемость, 3 2 м /м *мин

Полипропиленовый фильтр 5 500 40,5

Фторопластовый фильтр «Фторин» (ТУ8391-259-0020663-99) 6,4 1780 62,6

Углеграфитовый фильтр 3 1400 6,0

Стекловолокнистый фильтр ИПФА-850-7А (ТУ 6-19-330-86) 6 850 44,58

Эффективность по улову тумана для сухих и смоченных фильтров различна. Эффективность смоченных фильтров значительно выше. Однако в процессе улова брызг и тумана из газового потока увеличивается количество жидкой фазы на фильтре, что приводит к увеличению гидравлического сопротивления.

На рис.1 представлена зависимость гидравлического сопротивления фильтров от величины плотности орошения. Анализ данных рис. 1 показывает, что для высокопористого фторопластового фильтра плотность орошения практически не влияет на величину его гидравлического сопротивления. Поэтому фторопластовый фильтр широко применяется для эффективного улова брызг. Ему отводится роль дренажа уловленной жидкости. При этом сопротивление дренажного слоя должно быть небольшим. В интервале скорости фильтрации газа от 0,1 до 0,5 м/с сопротивление дренажного фторопластового фильтра находится в пределах 0,08 - 0,5 Па.

Плотность упаковки исследованного стекловолокнистого фильтра больше плотности упаковки фторопластового фильтра. Поэтому при увеличении плотности орошения наблюдается резкое увеличение гидравлического сопротивления. По мере увеличения плотности орошения гидравлическое сопротивление стабилизируется, однако далее начинается унос жидкости в виде брызг с наружной поверхности фильтра (вторичный брызгоунос). Следовательно, для предотвращения вторичного брызгоуноса с фильтра необходимо регулировать поступление кислоты на фильтрующий слой и своевременно отводить излишек кислоты.

На рис. 2 и 3 показано влияние толщины фильтра и скорости фильтрации газа на гидравлическое сопротивление фильтров из различного материала.

Рис. 1 - Зависимость гидравлического сопротивления от плотности орошения при скорости фильтрации 0,2 м/с для различных фильтров: 1 - фторопластовый; 2 - стекловолокнистый

Рис. 2 - Зависимость гидравлического сопротивления орошаемого стекловолокнистого фильтра от толщины фильтра при скорости фильтрации 0,2 м/с и плотности орошения 0,0132 м3/м2*ч

Исследование показало, что основными факторами, влияющими на гидравлическое сопротивление фильтра, являются: скорость фильтрации газа, плотность орошения фильтра, плотность упаковки слоя фильтрующего материала и толщина слоя фильтра.

Скорость фильтрации, м/с

Рис. 3 - График зависимости гидравлического сопротивления фильтру ющ их материалов от скорости фильтрации газа при плотности орошения 0,0132 м /м *ч: 1 - уг-леграфит; 2 - стекловолокно; 3 - полипропилен; 4 - фторин

Для ООО ПГ «Фосфорит» г. Кингисепп в условиях крупнотоннажного производства серной кислоты по нашему проекту внедрена новая конструкция абсорбера триоксида серы и брызготуманоуловителя. Схема брызготуманоулови-теля представлена на рис. 4.

Брызготуманоулови-тель состоит из нижней и верхней частей. Нижняя часть предназначена для улова паров и брызг кислоты, а верхняя часть - для улова тумана. Улов паров и брызг кислоты осуществляется в вихревом контактном устройстве, а улов тумана в рукавных фильтрующих

элементах.

Производительность установки по расходу газа 80 ^ 100 тыс. м3/ч. Гидравлическое сопротивление

брызготуманоуловителя 1,7 кПа. Диаметр нижней части брызготуманоуловителя со-

Рис. 4 - Брызготуманоуловитель: 1 - корпус - нижняя часть; 2 - корпус - верхняя часть; 3 - конусный переход; 4 - крышка; 5 - днище; 6 - центральная труба; 7 - сепаратор; 8 - тарелка; 9 - фильтрующий элемент; 10 - патрубок выхода кислоты; 11 - люк-лаз; 12 - патрубок заполнения гидрозатворов; 13 -газоход; 14 - патрубок выхода газа

ставляет 3,2 м, верхней части - 7,5 м; высота - 5,1 м. Масса 39 т. Перед брызготуманоуло-вителем установлен компактный вихревой абсорбер [4], диаметр которого составляет 3,5 м, высота - 11 м. Масса вихревого абсорбера 11 т. Гидравлическое сопротивление абсорбера 0,8 кПа. Общая степень абсорбции серного ангидрида составила 99,99 %. Вихревой абсорбер заменил действующую насадочную башню при сокращении массы абсорбера более чем в 25 раз. Общее гидравлическое сопротивление установки осталось без изменений и равно 250 мм вод. ст.

В брызгоуловителе установлено 36 фильтрующих элементов рукавного типа с общей площадью фильтрации 240 м2. В качестве фильтра использована следующая комбинация фильтровальных материалов: 4 слоя стекловолокна + 2 слоя фторина + 4 слоя стекловолокна. Зависимость гидравлического сопротивления от скорости фильтрации для данного пакета имеет вид:

ДР = 2670 • Wф0’56,

где ДР - гидравлическое сопротивление фильтрующего материала, Па; Wф - скорость фильтрации, м/с.

Совокупность принципиально нового вихревого абсорбера триоксида серы и принципиально нового брызготуманоуловителя для улова паров, брызг и тумана серной кислоты позволяет создавать новые производства большой единичной мощности с резким сокращением капитальных и эксплуатационных затрат на абсорбцию газов. Техническая документация на новые аппараты разработана ООО «Промышленная экология» г. Казань. Новые аппараты находят широкое применение в различных отраслях промышленности, как для интенсификации физико-химических процессов, так и для решения экологических проблем по очистке газовых выбросов.

Литература

1. Махоткин А.Ф. Теоретические основы очистки газовых выбросов производства нитратов целлюлозы / А. Ф. Махоткин. - Казань: Изд - во Каз. гос. ун - та, 2003. - 267с.

2. Петров, В.И. Минимизация межтарельчатого уноса жидкой фазы для создания промышленных многоступенчатых абсорберов/ В.И. Петров [и др.] // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2006. - № 6. - С. 109 - 113.

3. Махоткин, И.А. Исследование закономерностей абсорбции труднорастворимых газов с химической реакцией в жидкой фазе и разработка на этой основе методики определения площади поверхности контакта фаз на орошаемых фильтрах / И.А. Махоткин, А. Ф. Поздеева // Современные проблемы специальной технической химии: Матер. докл. / Казан. гос. технол. ун-т. Казань, 2006. - С. 617 - 628.

4. Пат. 2287359 Российская Федерация МПК В01 Б 53/18, В01 Б 53/18, В01 Б 53/18. Вихревой аппарат для проведения физико-химических процессов с нисходящим потоком фаз/ Махоткин А.Ф. [и др.]; заявитель и патентообладатель ООО «Минерально-химическая компания «ЕвроХим». - № 2004134710/15; заявл. 30.11.2004; опубл. 10.05.2006, бюл. № 32. - 9 с.; ил.

© О. В. Царева- асп. каф. оборудование химических заводов КГТУ; Р. А. Халитов - д-р техн. наук, проф. той же кафедры, oxzkstu@rambler.ru; Е. А. Махоткина - ст. препод. каф. экономики КГТУ.