Об особенностях концентрирования серной кислоты в промышленных условиях

A. С. Сёмочкин, А. И. Хацринов, М. Ф. Хакимов,

B. В. Наместников, Р. Ф. Гатина

ОБ ОСОБЕННОСТЯХ КОНЦЕНТРИРОВАНИЯ СЕРНОЙ КИСЛОТЫ В ПРОМЫШЛЕННЫХ УСЛОВИЯХ

Ключевые слова: серная кислота, концентрирование.

Проведен анализ существующего оборудования для концентрирования серной кислоты в промышленных условиях.

Key words: sulfuric acid, concentration.

Analysis of existing equipment for the concentration of sulfuric acid in industrial conditions.

Серная кислота является одним из основных продуктов химической промышленности и широко применяется в различных отраслях. В значительном количестве она используется в промышленности для получения удобрений, синтеза многих органических продуктов и в том числе при изготовлении взрывчатых веществ, нитратов целлюлозы и поро-хов на их основе.

Во многих процессах серная кислота используется в качестве водоотнимающего средства. Большая часть используемой серной кислоты из технологического процесса выводится в разбавленном виде (50-70%), которую для возврата и повторного использования в производстве необходимо концентрировать до 92-95 %.

При получении нитратов целлюлозы серная кислота в отработанной нитрующей смеси сильно загрязнена как азотной, так и другими примесями. Поэтому ее подвергают очистке путем специальной обработки (денитрации). Имеющиеся примеси снижают качество кислоты и вообще затрудняют процесс концентрирования.

В настоящее время в технологии концентрирования серной кислоты применяются два вида установок:

- с внешним обогревом;

- непосредственным соприкосновением греющих газов с кислотой.

К установкам внешнего обогрева относятся котлы, так называемые реторты, установки типа Бюшинга, Паулинга, Фришера, а также Майснера. В них происходит обогрев кислоты через стенку в различных типах аппаратов.

К установкам с непосредственным соприкосновением горячих газов с кислотой относятся установки Кесслера; широкое распространение получили также аппараты типа Хемико, работающие в режиме барботирования газов через слой серной кислоты и аппараты Вентури трубного типа. Суть процесса концентрирования в аппаратах этого типа заключается в дроблении кислоты на капли благодаря потоку горячего газа.

Оба направления получения концентрированной серной кислоты имеют как положительные, так и отрицательные стороны, которые необходимо принять во внимание в каждом отдельном проекте с учетом характера производства, экономических показателей и наличия трудовых и сырьевых ресурсов.

Одним из представителей установок, работающих на принципе соприкосновения греющих газов с кислотой, является установка Кесслера, в которой значительно облегчена передача тепла от топочных газов к серной кислоте. Концентрируемая кислота не доводится до точки кипения, а наличие большой, открытой поверхности контакта газа и кислоты

увеличивает интенсивность процесса массопередачи и теплопередачи. Кроме того, важным преимуществом установок Кесслера является также возможность их работы на любом местном виде топлива: газообразном, жидком и твердом. К их недостаткам, в первую очередь, относятся необходимость периодической чистки рекуператора (с выгрузкой насадки), а также большая потеря серной кислоты с отходящими газами, что составляет порядка 2-2,5%. Данные аппараты имеют небольшую производительность - 20 т/сутки.

В последующем установки Кесслера в промышленности были вытеснены концентраторами барботажного типа, в которых концентрирование производится путем барбота-жа горячих газов через упариваемую кислоту, как в слое кислоты, так и в зоне брызг, где на поверхности капель происходит хорошая теплопередача. К преимуществам этих концентраторов относятся лучшее использование тепла и переработка большого количества кислоты. Однако данные концентраторы также имеют и ряд существенных недостатков:

- поддержание строгого температурного режима топочных газов, так как увеличение его даже на 10°С довольно быстро разрушает барботажные трубы первой камеры концентратора, а также увеличиваются потери серной кислоты из-за ее термического разложения, которые составляют 10-15% от общего количества, идущего на концентрирование;

- образование паров и туманов серной кислоты, улов которых требует применения громоздких и дорогостоящих сооружений - электрофильтров, причем сами электрофильтры тоже имеют недостатки: они осуществляют неполный улов сернистых газов и окислов азота, выбрасывая их в атмосферу; стоимость же их весьма велика и составляет до 30% затрат на всю установку.

Как очередной этап совершенствования появились новые аппараты - скоростные концентраторы, в которых увлекаемая потоком горячего газа жидкость разбивается на мельчайшие капли. Для создания процесса концентрирования серной кислоты в капельном состоянии используют трубы Вентури.

Другим аппаратом для концентрирования кислот в вихревом потоке является фер-росилидовая колонна, в которой процесс осуществляется в многоступенчатом режиме, с резким сокращением образования тумана серной кислоты и сернистого ангидрида за счет применения дополнительных брызгоуловительных и абсорбционных ступеней.

Преимуществами этого метода концентрирования являются:

- высокая производительность установки, что позволяет значительно снизить удельные капитальные затраты по сравнению с барботажными концентраторами;

- проведение процесса концентрирования при более низкой температуре, что уменьшает степень разложения кислоты в процессе концентрирования и тем самым снижается туманообразование. Основными недостатками этого типа аппаратов является:

- значительные капитальные затраты на ее сооружение;

- недостаточная эффективность работы (не более 91-93%);

- в целом низкие технико-экономические показатели.

С учетом недостатков колонны концентрирования в вихревом потоке и требований производства о повышении эффективности ее работы сотрудниками ФКП «ГосНИИХП» осуществлена частичная модернизация колонны в части совершенствования рабочих ступеней и некоторых других ее узлов, эксплуатируемой на одном из предприятий отрасли.

В настоящее время весьма актуальным является создание принципиально новых конструкций аппаратов и способов концентрирования, обладающих высокой экономичностью, более повышенной эффективностью работы (до 96-98%) и требующих сравнительно малых капитальных затрат на их сооружение.

Анализ существующих способов концентрирования показал, что каждый из них имеет свои преимущества и недостатки, но в большинстве случаев для всех них характерна

одна закономерность - для получения серной кислоты более высокой концентрации необходимо поддерживать более высокую температуру в аппарате, что способствует увеличению скорости износа оборудования и образованию тумана серной кислоты.

С целью исключения или уменьшения этих недостатков и обеспечения более высокой эффективности технологии концентрирования большой интерес представляет проведение процесса концентрирования в промышленных условиях с применением вакуума.

В установках вакуумного концентрирования выпарка кислоты осуществляется при непрямом контакте с теплоносителем и в сочетании с высоким разрежением в аппарате.

Концентрирование в вакууме обладает рядом существенных преимуществ:

- возможность поддержания большого перепада температур между теплоносителем и упариваемой жидкостью;

- проведение процесса упаривания кислоты при более низких температурах кипения, что выгодно как экономически (меньшие затраты на тепло), так и технически (отсутствие явления разложения).

- концентрирование при более низкой температуре не сопровождается сильной коррозией применяемой аппаратуры от воздействия кислоты и ее паров;

- концентрирование кислоты в вакууме позволяет получить более чистую (без химических примесей), серную кислоту с концентрацией до 93% и более;

- значительное снижение потерь кислот.

В промышленности эксплуатируются различные варианты аппаратов концентрирования (периодического и непериодического действия).

Установки периодического действия работают при непрямом нагреве кислоты паром через трубчатый нагреватель и ступенчатом понижении давления с помощью водоструйных и паровых эжекторов до 75 и 7 мм рт.ст. Недостатками установки являются периодичность работы и ограниченная производительность (4,2 т/ч) и громозкостью.

Установка Симпсона-Мантиуса это вакуум-концентратор двухступенчатого типа, в котором подогрев кислоты осуществляется насыщенным паром. Необходимое разряжение на обоих ступенях создается конденсатором смешения и пароводяным двухступенчатым эжектором. Данный концентратор отличается более высокой производительностью (до 5,7 т/ч) и большим расходом пара и воды. Основной недостаток такого типа вакуум концентраторов - быстрое загрязнение водонагревательных элементов, снижающих общую производительность установки. Кроме того, нагревательные элементы, изготовленные из фер-росилида, при высокой температуре дают трещины и приводят к отказу аппаратуры.

Непрерывно работающие установки вакуумного концентрирования серной кислоты в основном применяются за рубежом.

Особый интерес представляет установка вакуумного концентрирования серной кислоты, предлагаемая ФКП «ГосНИИХП», в которой серная кислота с температурой 120 -150°С и исходной концентрацией 58 - 70 %, поступающая сразу после колонны денитрации упаривается до 95 - 97%. На этой установке концентрирование кислоты производят в виде парогазовой смеси при вакууме 50 - 80 мм рт. ст. путем внеконтактного нагрева. Эта установка отличается экономичностью, компактностью, высокой эффективностью и позволит получать химически чистую продукцию.

© А. С. Сёмочкин - асп. каф. технологии неорганических веществ и материалов КГТУ; А. И. Хацринов - д-р техн. наук, проф., зав. каф технологии неорганических веществ и материалов КГТУ; М. Ф. Хакимов - канд. техн. наук; В. В. Наместников - д-р техн. наук; Р. Ф. Гатина - д-р хим. наук, директор ФКП «ГосНИИХП», gniihp@bancorp.ru.