Основы интенсификции абсорбции аммиака и диоксида углерода при очиcтке отходящих газов в промывателе газов колонн - 2 производства кальцинированной соды

И. А. Махоткин, Р. А. Халитов

ОСНОВЫ ИНТЕНСИФИКЦИИ АБСОРБЦИИ АММИАКА И ДИОКСИДА УГЛЕРОДА ПРИ ОЧИСТКЕ ОТХОДЯЩИХ ГАЗОВ В ПРОМЫВАТЕЛЕ ГАЗОВ КОЛОНН - 2 ПРОИЗВОДСТВА КАЛЬЦИНИРОВАННОЙ СОДЫ Ключевые слова: абсорбция, аммиак, диоксид углерода, кальцинированная сода.

Проведен анализ процесса абсорбции аммиака и диоксида углерода в промывателе газов колонны - 2. Определено, что для интенсификации процесса абсорбции аммиака и диоксида углерода необходимо создание в аппарате высокотурболизированного газожидкостного потока. Представлены результаты опытно-промышленных испытаний вихревого промывателя газов колонн - 2 в ОАО «Сода» г. Стерлитамак.

Keywords: absorption, ammonia, carbon dioxide, soda ash.

The analysis of ammonia and carbon dioxide absorption process in a gases washer of a column - 2 is carried out. Is determined, that for ammonia and carbon dioxide absorption process intensification the creation in the device high turbogas-liquid flow is necessary. The results of an eddy washer of gases of columns - 2 trial tests in Open joint-stock "Soda" Sterlitamak are submitted.

Одним из недостатков аммиачного способа производства кальцинированной соды является газовый выброс в атмосферу аммиака [1]. Причиной газовых выбросов аммиака является недостаточная эффективность промывателя газов колонн - 2 (ПГКЛ - 2). Кроме того действующие барботажные аппараты являются дорогими и громоздкими. Они имеют внутренний диаметр 2,8 и высоту 9,8 м. Число тарелок - 6, барботажных колпачков на каждой тарелке - 17. В зависимости от производительности содового элемента ПГКЛ-2 работает в широком диапазоне изменения нагрузок по фазам: газовой от 8000 до 24000 м3/ч и жидкой -от 60 до 90 м3/ч. Массовое отношение расходов жидкой и газовой фаз (L/G) находится в пределах 3 8. Содержание аммиака в газе на входе в аппарат достигает 130 г/м3. Выхо-

дящий из аппарата рассол содержит 70 ^ 80 кг растворенного аммиака на 1 т соды. Кроме аммиака в газовой фазе содержится 6 ^ 10% об. диоксида углерода. Концентрация аммиака в отходящих газах после ПГКЛ-2 находится в пределах 0,2 ^ 0,3 кг/м3. Допустимое содержание аммиака в газовом выбросе из аппарата составляет 0,05 г/м3. Кроме аммиака выбрасывается в атмосферу большое количество брызг рассола, что дополнительно снижает уровень культуры производства.

Барботажные аппараты имеют невысокую эффективность абсорбции аммиака на ступенях по следующим причинам: недостаточно интенсивный гидродинамический режим работы, повышенный брызгоунос жидкости между ступенями и на выходе из аппарата особенно при высоких нагрузках по газовой и жидкой фазам. Кроме того, для действующих ПГКЛ - 2 характерна неустойчивая работа при изменении нагрузок по фазам.

В этой связи актуальной является разработка новой конструкции промывателя газов

колонн-2, которая позволит обеспечить высокую эффективность абсорбции аммиака, ликвидацию брызгоуноса и устойчивую работу в широком диапазоне нагрузок по фазам.

При поглощении аммиака и частично диоксида углерода рассолом в жидкости образуется система ЫИз - С02 - ЫаС! - Н20. Известно, что в ПГКЛ-2 концентрация ЫаС! изменяется незначительно. С увеличением концентрации аммиака в рассоле и температуры рассола возрастает равновесное содержание аммиака в газе. Это приводит к снижению движущей силы процесса абсорбции аммиака. Содержание аммиака в рассоле на выходе из ПГКЛ-2 находится в пределах 4 ^ 24 н.д. Присутствие СО2 в рассоле снижает равновесное давление аммиака над рассолом и способствует интенсификации абсорбции аммиака. Механизм и кинетика процессов абсорбции и десорбции аммиака из воды и рассола описаны в работах [2,3].

Для абсорбции аммиака из отходящих газов в ПГКЛ-2 подают свежий рассол, равновесная концентрация аммиака над этим рассолом равна нулю. Общая степень абсорбции ЫН3 будет определяться эффективностью и количеством рабочих тарелок. Определение числа ступеней контакта фаз ПГКЛ-2 графическим методом представлено на рис.1. Число теоретических тарелок равно трем. Однако число рабочих тарелок в действующем ПГКЛ - 2 находится в пределах 6 ^ 8. Становится очевидным несоответствие конструкции тарелок физико-химическим основам процесса.

Рис. 1 - Определение числа ступеней контакта фаз ПГКЛ-2: 1-рабочая линия; 2-линия равновесия

Процесс поглощения смеси аммиака и диоксида углерода является хемосорбционным процессом. В процессе абсорбции аммиак и диоксид углерода взаимодействуют преимущественно в жидкой фазе с образованием карбомата аммония:

22-

кПа

С02 + 21^3 = 2NH2C00NH4

Аммиак растворяется в воде и одновременно частично взаимодействует с водой с образованием гидроксида аммония:

NHз + H20 = NH40H

Реакции (1) и (2) в жидкой фазе протекают быстро. Диоксид углерода относится к труднорастворимым газам. Однако в присутствии аммиака скорость абсорбции СО2 возрастает за счет протекания химической реакции (1). Уравнение основного сопротивления процесса абсорбции аммиака имеет вид:

1/к=1/рг+т/Рж

где k - коэффициент массопередачи; рг и рж - коэффициенты массоотдачи в газовой и жидкой фазах соответственно; m - константа фазового равновесия.

Доля фазовых сопротивлений в общем сопротивлении определяется не только значениями в и вж, а, главным образом, значением m. При m<<1 газы можно рассматривать как хорошо растворимые. При этом долей сопротивления жидкой фазы т/рж можно пренебречь. Для аммиака т = 0,7. Аммиак является хорошо растворимым газом и основное сопротивление массопередаче при его абсорбции сосредоточено в газовой фазе.

Основное уравнение массоотдачи имеет вид:

О = вг  Р

где О - скорость абсорбции; рг - коэффициент массоотдачи в газовой фазе; Р - поверхность контакта фаз; СТ, СР - текущая и равновесная концентрации аммиака в газовой фазе.

Из уравнения (4) видно, что для ускорения абсорбции аммиака необходимо применять контактные устройства, обеспечивающие высокую величину произведения вгР, что может быть достигнута как за счет повышения одного из значений рг и Р, так и за счет их одновременного увеличения. Высокими значениями величин коэффициентов массоотдачи в газовой фазе обладают скоростные аппараты типа «труба Вентури» и вихревые аппараты. Хотя абсолютная площадь поверхности контакта фаз в этих аппаратах мала, однако высокая степень обновления поверхности и высокая турбулизация газа обеспечивают эффективный массоперенос.

Аппараты газоочистки должны существенно отличаться от обычных массообменных аппаратов. Требования по брызгоуносу, предъявляемые к абсорберу для очистки газов от аммиака, являются крайне жесткими. Допустимый брызгоунос в абсорбере очистки отходящих газов в сотни раз меньше допустимого брызгоуноса жидкости в обычном массообменном аппарате. Поэтому барботажные массообменные аппараты требованиям газоочистки не удовлетворяют. Из числа известных массообменных контактных устройств минимальным брызгоуносом обладают вихревые контактные устройства. Следует отметить, что для самой последней ступени контакта фаз абсорбера допустимый брызгоунос должен определяться даже не из условия работоспособности массообменного аппарата, а из условий предельно-допустимого газового выброса (ПДВ) в атмосферу.

Для повышения эффективности абсорбции аммиака необходимо взаимодействие газовой и жидкой фаз в высокотурбулизированном газожидкостном потоке. При этом возрастают скорости газового потока как в зоне контакта фаз, так и по аппарату в целом. Увеличение скорости газового потока приводит к повышению уноса жидкости газовым потоком. Сепарация фаз в поле центробежных сил после вихревых устройств снижает брызго-унос жидкости. Однако допустимый унос жидкости из последней по ходу газового потока ступени настолько мал, что для обеспечения газового выброса аммиака в пределах санитарных норм необходима дополнительная система улова брызг и капель жидкости из газового потока. Эта система должна включать дополнительные вихревые брызгоуловитель-

ные ступени и для окончательного улова мелкодисперсных капель жидкости необходимо иметь аппарат с волокнистыми фильтрующими элементами.

Для процесса очистки отходящих газов от легкорастворимых веществ перспективными являются вихревые устройства с восходящим потоком фаз. В вихревых устройствах с восходящим потоком фаз происходит более интенсивное обновление поверхности контакта фаз в результате соударения капель жидкости, как с элементами конструкции, так и с потоком вращающейся жидкости. Кроме того, в вихревых устройствах с увеличением удерживающей способности дополнительно возрастает поверхность контакта фаз.

Контактные устройства абсорбционных установок должны обеспечить: эффективную работу при значительных нагрузках по жидкости и газовому потоку, малое гидравлическое сопротивление, отвод тепла из зоны межфазного контакта, надежную работу в условиях существенно изменяющихся расходов газа и жидкости.

Процесс хемосорбции аммиака сопровождается выделением значительного количества тепла. С увеличением температуры степень абсорбции аммиака уменьшается из-за повышения концентрации аммиака в газовой фазе. Для увеличения степени абсорбции аммиака необходимо охлаждать рассол.

Абсорбция аммиака в ПГКЛ-2 осуществляется рассолом с содержанием N80! до 30 г/л. Для исключения отложения солей внутри аппарата необходимо поддержание в высо-котурбулизированном состоянии как жидкой, так и газовой фазы, что возможно при взаимодействии фаз в вихревом потоке [4].

Конструкция вихревой рабочей ступени представлена на рис. 2. Вихревая рабочая ступень состоит из царги 1 диаметром 1500 мм, контактного патрубка 2 диаметром 1100 мм и завихрителя 3. Внутри царга разделена кольцевой перегородкой на нижнюю 4 и верхнюю 5 зоны. В нижней зоне царга выполнена с тарелкой 6 с центральным отверстием.

2 3 5

Рис. 2 - Вихревая рабочая ступень: 1 - царга; 2 - контактный патрубок; 3 - завихри-тель; 4 - верхняя зона; 5 - нижняя зона; 6 - тарелка; 7 - лопатки; 8 - тангенциальные щели; 9 - патрубок подачи жидкости; 10 - патрубок отвода жидкости

На тарелку устанавливается завихритель, боковая поверхность которого выполнена из тангенциально расположенных лопаток 7, образующих между собой тангенциальные щели 8. Жидкость подается в нижнюю зону царги через тангенциально расположенные патрубки 9, а выводится через патрубки 10 в верхней зоне. Патрубки 9 установлены тангенциально для увеличения турбулизации жидкой фазы на контактной ступени, что приводит к интенсификации тепломассообмена и к исключению возможности осаждения солей. Ранее проведенные экспериментальные исследования вихревых контактных устройств с внутренней круткой потока подтвердили их устойчивую и эффективную работу в широком диапазоне нагрузок по газовой и жидкой фазам (Ь/О = 1,5 - 25) [5].

Конструкция опытно-

промышленного вихревого промыва-теля газов колонн-2 (ВПГКЛ-2) представлена на рис.3. Абсорбер состоит из днища 1 с тангенциальным патрубком входа газа 10, четырех вихревых рабочих ступеней 2, пяти брыз-гоуловительных ступеней 3 и брызго-ловушки 4 с фильтрующими полипропиленовыми элементами 5. Для снижения брызгоуноса между рабочими ступенями и предотвращения продольного перемешивания жидкости по аппарату в целом, после каждой рабочей ступени установлены брызгоуловительные ступени. В верхней брызгоуловительной ступени для повышения эффективности сепарации фаз под контактным патрубком установлен сепаратор 9. Переток жидкости по рабочим и брыз-гоуловительным ступениям производится по своим линиям перетока жидкости 6 с и - образными гидрозатворами, установленными снаружи аппарата. Переток жидкости осуществляется из патрубков 7 верхней зоны рабочей ступени в патрубки 6 нижней зоны нижележащей рабочей ступени. Свежий рассол в промыва-тель подается через патрубок 13 четвертой рабочей ступени, а выводится из аппарата через патрубок 12 пер-

Рис. 3 - Вихревой промыватель газов колонн-2: 1 - днище; 2 - четыре вихревых рабочих ступени; 3 - брызгоуловительная ступень; 4 - брызголовушка; 5 - фильтрующие пропиленовые элементы; 6, 7, 11, 12, 13 - патрубки; 8 - линии перетока жидкости; 9 - сепаратор; 10 - тангенциальный патрубок входа газа

вой рабочей ступени. Жидкость из брызгоуловительных ступеней и из днища промывателя выводится по отдельным линиям.

Для увеличения пропускной способности опытно-промышленного аппарата по жидкой фазе предусмотрена подача исходного, свежего рассола также и на брызгоулови-тельную ступень. При этом брызгоуловительные ступени 3 используются как рабочие и спо-

собствуют не только увеличению пропускной способности аппарата по жидкой фазе, но и уменьшению гидравлического сопротивления аппрата. В верхней части вихревого промы-вателя расположена брызголовушка 4, которая предназначена для окончательного улова мелкодисперсных капель жидкости из газового потока. Брызголовушка представляет собой цилиндрический аппарат диаметром 3,0 и высотой 3,5 м. Основными элементами аппарата являются фильтрующие элементы из иглопробивного полипропилена. Всего установлено 19 фильтрующих элементов. Одновременно с сепарацией жидкости на мокрых фильтрующих элементах происходит эффективная глубокая очистка газов от остатков аммиака. Жидкость, уловленная в брызголовушке, отводится через гидрозатвор в нижнюю зону седьмой вихревой ступени.

Газовый поток в вихревой аппарат поступает из общего коллектора газов, к которому подсоединены действующие промыватели барботажного типа. В общий коллектор газы поступают из аппарата ПГКЛ-1 отделения карбонизации. Вихревой промыватель работает в режиме противоточного движения газовой и жидкой фаз по аппарату в целом. При этом все вихревые устройства работают в режиме прямоточного взаимодействия фаз.

Газовый поток через тангенциальный патрубок 10 (рис.3) поступает в днище вихревого аппарата и приобретает вращательное движение. Затем газовый поток поступает в в центральное отверстие вихревого устройства (рис.2). Пройдя тангенциальные пластины завихрителя, газовый поток закручивается в области между завихрителем и контактным патрубком. Жидкость (свежий рассол) подается на четвертую по ходу газа ступень. Направление вращения жидкости совпадает с направлением вращения газового потока. Вращающийся поток жидкости поступает в рабочую зону между контактным патрубком и за-вихрителем. Газовый поток подхватывает жидкость и раскручивает ее. Вращающийся вы-сокотурбулизированный газожидкостный поток поднимается вверх. В зазоре между верхним срезом контактной обечайки и тарелкой вышележащей ступени происходит отделение жидкости от газа. Жидкость стекает на перегородку и отводится на нижележащую ступень. Газовый поток поступает на брызгоуловительную ступень, где происходит дополнительная сепарация фаз. После брызгоуловительной ступени газовый поток поступает на вторую по ходу газа рабочую ступень. После прохождения рабочих и брызгоуловительных ступеней газовый поток очищенный от аммиака поступает в брызголовушку, где происходит окончательная очистка от мелкодисперсных капель жидкости. Из брызголовушки газовый поток через патрубок 11 направляется в трубу выброса газов. Рассол с абсорбированным аммиаком из первой рабочей и брызгоуловительной ступеней по линии перетока через гидрозатворы направляется по рассолопроводу в абсорбер аммиака АБ-1.

Испытания вихревого опытно-промышленного промывателя газов колонн - 2 проводились в ОАО «СОДА» г. Стерлитамак. Аппарат устойчиво работает в широком диапазоне изменения расхода жидкости и газа обеспечивая высокую степень очистки газов от аммиака - 99,9 % и высокую степень абсорбции диоксида углерода - 50%. Гидравлическое сопротивление аппарата при расходе газа 10000 м3/ч составило 1100 мм.вод.ст., что меньше гидравлического сопротивления действующего ПГКЛ - 2. Достигнута полная ликвидация брызгоуноса рассола. Материалоемкость вихревого ПГКЛ - 2 уменьшилось по сравнению с действующим аппаратом в 5 раз. Аппарат прост и надежен в эксплуатации, практически при всех режимах работы степень очистки газов от аммиака была проектной и составляла 99,9 %, а концентрация аммиака в газовом выбросе составляла 0,05 г/м3. Выполненная работа подтвердила, что рукавные фильтрующие элементы не забиваются солями, а это позволяет создавать новые надежные аппараты без ограничения по производительности.

Литература

1. Крашенинников, С.А. Технология кальцинированной соды и очищенного бикарбоната натрия/ С.А. Крашенинников. - М.: Высшая школа, 1985.- 289 с.

2. Извекова, А.В. Механизм и кинетика абсорбции аммиака/ А.В.Извекова, И.А. Махоткин, Ю.В.Ковырзин// Вестник Казан. технол. ун-та - 2009. - № 6. - С. 74 - 79.

3. Извекова, А.В. Механизм и кинетика десорбции аммиака/ А.В.Извекова, И.А. Махоткин, Ю.В.Ковырзин// Вестник Казан. технол. ун-та - 2009. - №6.- С. 94 - 99.

4. Вихревой тепломассообменный аппарат. А.С. № 165532, Б.И. №22, 1991г.. Петров В.И., Халитов Р. А., Махоткин А.Ф Гильмутдинов Т.Т.

5. Халитов, Р.А. Исследование гидродинамики и массопередачи вихревого контактного устройства / Р.А. Халитов, В.И. Петров, А.Ф. Махоткин, И.К. Гайфуллина - Казань, 1984. - 12с.

© И. А. Махоткин - ст. препод. каф. оборудования химических заводов КГТУ,

oxzkstu@rambler.ru; Р. А. Халитов - д-р техн. наук, проф. той же кафедры.