Абсорбция фтор газов

Функциональная  схема абсорбции фтор-газов в  производстве экстракционной фосфорной  кислоты: 

 

1 –  сернокислотное разложение апатита в экстракторе;

2 –  абсорбция фтористых газов в полом абсорбере;

3 –  абсорбция фтористых газов в пенном слое, в абсорбере АПС;

4 –  выход очищенных от фтора газов и полученной кремнефтористористо-водородной кислоты. 

Недостатки:

1. Протекание побочных реакций (за счет присутствия в исходном сырье примесей);
2. Требуется очистка отходящих газов перед выбросом в атмосферу, поскольку они содержат значительное количество фтора;
3. При разложении апатита происходит недостаточно эффективное извлечение Р₂О₅ и вследствии этого возникает сложность добиться нужной концентрации в конечном продукте;
4. Значительный расход электроэнергии; 
5. Большие капитальные вложения                                                              Полугидратный метод производства более чуствителен к отклонениям технологического режима, так как осуществляется в более узких интервалах температур. Поэтому более важным условием стабильной и эффективной работы является оснащение надежной системой контроля и автоматического регалирования;
6. Большой расход серной кислоты                                                                                       За счет того, что примеси, содержащиеся в исходном сырье легко разлагаются серной кислотой     

    CaMg(CO₃)₂+2H₂SO₄→CaSO₄+MgSO₄ +2H₂O + 2CO₂

  Mg₂SiO₄+2H₂SO₄→MgSO₄+SiO₄+2H₂O

  Ca₂SiO₄+2H₂SO₄→CaSO₄+SiO₄+2H₂O

7. Образование крупнотонажного отхода фосфогипса:                                                            При разложении фосфатов серной кислотой наряду с фосфорной кислотой образуется практически нерастворимый сульфат кальция (фосфогипс):

  Са₅F(PO₄)₃+5H₂SO₄+2,5Н₂О→5CaSO₄∙0,5Н₂О+3H₃PO₄+HF 

     В процессе производства концентрированных  фосфатных удобрений фосфорсодержащая руда подвергается экстракции раствором серной кислоты. Полученная разбавленная фосфорная кислота концентрируется упариванием и затем используется для получения концентрированных жидких и гранулированных фосфорсодержащих удобрений. В процессе экстракции фосфорной кислоты из руды серной кислотой образуется фтористый водород. При наличии диоксида кремния образуется кремнефтористоводородная кислота. Большое количество фтористых соединений остается в разбавленной фосфорной кислоте в виде фтористого водорода и кремнефтористоводородной кислоты. В процессе концентрирования упариванием большинство фтора выделяется вместе с паром в виде HF и четырехфтористого кремния в различных количествах, определяемых составом исходных руд. Токсичность этих соединений требует очистки отходящих газов. В то же время газы содержат ценный химический материал для получения фторсодержащих неорганических солей. На отдельных заводах от 10 до 30 тыс. т/год фторсодержащих соединений может быть получено в результате очистки отходящих газов. 

     Основное  оборудование абсорбции фторгазов:

1. Абсорбер АПС

     В пенных абсорберах поверхность контакта развивается потоками газа, распределяющегося  в жидкости в виде пузырек и  струек; она распределяется гидродинамическим  режимом (расхода газа и жидкости). В пенных абсорберах дисперсной фазой  является газ, распределенный в ячейках  пены,на поверхности которых протекает  процесс массопередачи. К аппаратам  пенного типа относятся пенные аппараты со стабилизатором слоя слоя (ПАСС), абсорберы с подвижной шаровой насадкой (АПН), с кольцевой насадкой (АПКН), абсорберы пенные скоростные без подвижной насадки разработки НИУИФ.

      
 

Рис. Пенный скоростной абсорбер со стабилизатором слоя (ПАСС):

     1 – циркуляционный насос, 2 – циркуляционный  бак; 3 – тарелка со стабилизатором  пены; 4 – корпус аппарата 
 
 
 
 

     

Рис. Абсорбер с псевдоожиженной насадкой (АПН):

     1 – циркуляционный насос, 2 – циркуляционный  бак; 3 – тарелка; 4 – шаровая насадка; 5 – корпус аппарата; 6 – ограничительная  решетка 
 
 
 
 

     

     Рис. Абсорбер с подвидной кольцевой  насадкой (АПКН)

     1 – циркуляционный насос, 2 – циркуляционный  бак; 3 – решетки; 4 – кольцевая  насадка; 5 – корпус аппарата; 6 –  ограничительная решетка

Рис.  Абсорбер АПС.

1 – корпус; 2 – цилиндрический патрубок; 3 –  циркуляционные трубки;

4 – центробежный  брызгоуловитель; 5 – тарелка; 6 –  кольцевая тарелка. 

     Абсорбер  АПС состоит из корпуса 1 с прямоточным  контактным устройством в виде тарелки 2 с цилиндрическим контактным патрубком (рабочая зона) 3, в нижней части  которого расположены циркуляционные трубы 4, а над верхним обрезом –  центробежный сепаратор 5. Жидкость с тарелки поступает через циркуляционные трубы в рабочую зону, где контактирует с газом, образуя газо-жидкостную смесь, которая в центробежном сепараторе разделяется на практически сухой газ и жидкость, стекающую на тарелку. Этот процесс многократно повторяется. Аппарат работает в режиме восходящего прямотока фаз с центробежной сепарацией и внутренней циркуляции жидкости.

     Аппараты  ПАСС, АПН – колонного типа, в них установлены тарелки, колосниковые решетки или контактные устройства. АПКН или АПС – секционные аппараты. Отличие последнего от АПКН в том, что на распределительной решетке отсутствует кольцевая насадка, поэтому нет необходимости устанавливать ограничительную решетку. Пенные скоростные абсорберы представляют собой цилиндрические полые башни диаметром 4,5 м и 2,6 м, высота аппаратов – 15,0 м и 13,0 м соответственно. Аппараты гуммированы, нижняя конусная часть днища футерована углеграфитовыми блоками. Внутри, симметрично по высоте абсорберов, установлены три или два идентичных контактных устройства, с помощью которых достигается необходимая степень контакта фаз при очистке фторгазов.

     В данной работе будем рассматривать  этот вид, так как он имеет преимущества перед другими:

• Высокоэффективное улавливание токсичных компонентов из газовой фазы. Степень очистки газа на контактном устройстве не ниже 95 %.
• Практически полное отсутствие уноса жидкости в газовую фазу после аппарата (брызгоуноса).
• Конструкция аппарата позволяет устойчиво работать в условиях запыленных газов и загрязненных жидкостей без забивания внутренних частей аппарата осадком и пылью.
• Исключается использование циркуляционных насосов, которые ненадежны в работе в агрессивной среде (кремнефтористая, фтороводородная кислоты).
• Конструкция аппарата позволяет устойчиво работать при значительных изменениях нагрузок по газу (от 100000 до 200000 м^З/ч) без брызгоуноса и снижения эффективности.
• Аппарат является компактным и удобным в обслуживании.

 

2. Полый абсорбер (газопромыватель)

          На рисунке... показаны некоторые типы распыливающих абсорберов, выполненных в виде полых колонн. Газ в них движется обычно снизу вверх, а жидкость подается через расположенные в верхней части колонны распылители с направлением факела распыла сверху вниз (рис ,а) или под некоторым углом к горизонтальной плоскости (рис ,б).  Во многих случаях, особенно при большой высоте колонны, распылители располагают в несколько ярусов. При этом факелы распыла направляют сверху вниз или под углом к горизонтальной плоскости (рис ,б) либо снизу вверх. Применяют также комбинированную установку распылителей часть факелом вверх, а часть - факелом вниз. На рисунке ... показаны примеры комбинированной установки распылителей. Как показали исследования, наиболее низкий коэффициент массопередачи достигается при расположении по рис. ..,а, а наиболее высокий при расположении по рис....,в. Впрочем, различие в значениях коэффициентов массопередачи не очень велико: при расположении по рис....,в на 20 % выше чем по рис....,а, и на 7% выше чем по рис....,б.

Рис.... Полые распыливающие абсорберы:

а - факел  распыла направлен вниз; б - факел  распыла направлен под углом (двухрядное разложение форсунок); в - с пережимом в нижней части.

 

     В полом абсорбере, где распылители  с направлением факела распыла сверху вниз расположены в один ярус в  верхней части аппарата, теоретически осуществляется противоток (при движении газа снизу вверх). Однако вследствие циркуляции и перемешивания газа такие аппараты по характеру контакта газа и жидкости ближе к аппарату с полным перемешиванием газа и эффективная движущая сила в них ниже чем при противотоке.  В многоярусных полых абсорберах (при вводе в распылители каждого яруса свежей жидкости), а так же в абсорберах с направленным вверх факелом распыла противоток отсутствует; однако при этом эффективная движущая сила примерно такая же, как и в противоточных абсорберах с одним ярусом распылителей. В тоже время наличие нескольких ярусов распыления ведет к повышению эффективности аппарата. В рассмотренных типах полых абсорберов газ распределяется неравномерно, что снижает их эффективность. Предложено несколько конструкций, позволяющих улучшить распределение газа. На рис...,в изображен абсорбер с пережимом в нижней части. Через отверстие в пережиме газ проходит со сравнительно большой скоростью (до 6-10 м/с), что способствует более равномерному распределению его вследствие добавочного сопротивления в пережиме.

Рис..... Схема комбинированной установки форсунок. 
 

     Добавочное  сопротивление может быть создано  также тонким слоем насадки, отделяющим входящую струю газа от основного объема аппарата.  
Были попытки избежать неравномерного распределения газа путем тангенциального ввода его в аппарат. Этот принцип использован в циклонном распыливающем абсорбере (циклонный скруббер), показанном на рис.... В этом абсорбере газ движется вверх по винтовой линии, а поглотитель разбрызгивается через расположенные на центральной трубе 1 форсунки 2. Часть поглотителя попадает на стенки и стекает по ним пленкой, однако абсорбция на стенках имеет второстепенное значение по сравнению с абсорбцией каплями поглотителя. Равномерное распределение газа в циклонном скруббере не достигается, так как у стенок он движется со сравнительно большой скоростью (по винтовой линии), а в центре аппарата скорость газа мала. Поверхность контакта фаз в полом абсорбере пропорциональна плотности орошения, поэтому при низких плотностях орошения эти абсорберы работают неудовлетворительно. Обычно применяют плотности орошения не ниже 10-20 м/ч, используя схему с рециркуляцией жидкости.

Рис..... Циклонныйскруббер. 

Во избежание  уноса распыленной жидкости с  газом прежде применяли низкие скорости газа (менее 1-1,5 м/с), что приводило к малоэффективной работе абсорбера. В последнее время испытаны и внедрены скоростные полые абсорберы, работающие при скорости газа до 5-5, 5 м/с (и даже выше) с высокими плотностями орошения (30-45 м/ч). Ввиду большого брызгоуноса газ после абсорбера пропускается через выносные циклоны или установленный в корпусе аппарата жалюзийный брызгоотделитель.  
 Полые распыливающие абсорберы отличаются простотой конструкции и низкой стоимостью они обладают малым гидравлическим сопротивлением и могут применяться при сильнозагрязненных газах. При использовании форсунок соответствующей конструкции полые абсорберы могут работать и в случае загрязненных жидкостей, хотя это вызывает иногда известные затруднения.  
Основной недостаток полых абсорберов - невысокая эффективность, обусловленная перемешиванием газа и плохим заполнением объема факелом распыленной жидкости. Кроме того, расход энергии на распыление жидкости довольно высок(0,3-1 кВт*ч на 1 т распыляемой жидкости).  Из-за указанных недостатков полые абсорберы имеют довольно ограниченное применение. Это объясняется еще и тем, что в настоящее время еще не разработаны методы расчета и проектирования полых абсорберов, а влияние факторов на их работу недостаточно выяснено.  

Распыление  жидкости форсунками.

     Для распыления жидкости используют в основном механические центробежные и ударные форсунки. В этих форсунках распыление происходит за счет распыления жидкости, подаваемой под избыточным давлением 0,25-0,3 МПа. Устройство форсунок и данные об их работе изложены в специальной литературе.  
Из всего многообразия механических форсунок в распыливающих абсорберах обычно используют типы, обеспечивающие надежную работу при распылении загрязненных жидкостей. Такие форсунки дают более грубый распыл, но отсутствие узких каналов и щелей, характерных для форсунок тонкого распыла, обеспечивающих их работу без забивания твердыми включениями.  
Распыление происходит под действием центробежной силы (центробежные форсунки), развиваемой при вращении жидкости, вызванном либо ее тангенциальным вводом (рис...,а), либо движением по спиральным каналам (рис...,б). В ударных (отражательных) форсунках распыление происходит или в результате удара струй жидкости о препятствие (рис...,в), или при взаимном ударе двух жидких струй (рис....,г). Описанные типы форсунок дают полый факел, в котором у периферии создается максимальная плотность орошения, а в направлениях к центру она быстро падает почти до нуля.