Очистка отходящих газов от соединений фтора

Размещено на http://www.allbest.ru/

Очистка отходящих газов от соединений фтора

Кетанех О.М.

Основным направлением снижения загрязнения атмосферы отходящими газами промышленных предприятий является разработка технологических процессов, предусматривающих внедрение замкнутых циклов, высокоэффективных технологий очистки отходящих газов и аппаратов, позволяющих ограничить поступление вредных веществ в атмосферу.

Фторсодержащие газы наиболее распространенные в производстве минеральных фосфорсодержащих удобрений. Чаще всего они содержат одновременно НF и SiF4 в различных соотношениях и сопутствующие соединения - пыль фосфатов, в ряде случаев P2О 5, SО 2, NH3. Исследованиям по очистке этих газов посвящен ряд работ [1-3]. В настоящее время удается утилизировать около 60% образующихся газообразных фтористых соединений, остальное их количество в том или ином виде поступает в окружающую среду. Поэтому очистка отходящих газов, позволяющая предотвратить загрязнение окружающей среды соединениями фтора и получить ценные продукты, является одной из экологически важных проблем химической промышленности.

Фтористые соединения выделяются на различных стадиях производства минеральных удобрений. Распределение фтора по стадиям производства изменяется в довольно широких пределах в зависимости от типа природного фосфата, способа получения фосфорной кислоты и минеральных удобрений. Количество выделившихся в газовую фазу фтористых соединений зависит от вида сырья, продолжительности процесса, температурного режима, нормы и концентрации исходной фосфорной кислоты и содержания в ней фтора. газ фторсодержащий очистка

При анализе возможных методов очистки фторсодержащих газов необходимо исходить из следующих требований: обеспечение высокоэффективного комплексного улавливания всех компонентов дешевыми поглотителями; возможность использования уловленных продуктов непосредственно в производстве фосфорсодержащих удобрений; создание аппаратурно-технологической схемы, надежной в условиях обработки газов и жидкостей, содержащих кристаллизующиеся и слипающиеся вещества (пыль, кремнегель, фториды, смолистые соединения и т.д.).

Несмотря на многообразие существующих методов очистки газов от фтора, реализовано лишь ограниченное их количество. Так, например, до настоящего времени широкое практическое применение нашли водная промывка и щелочной способ абсорбции, обладающие достаточно высокой эффективностью.

Достаточно высокой сорбционной способностью по отношению к фтористым газам обладает водная суспензия фосфорита: отработанная суспензия возвращается в процесс. Сравнение процесса абсорбции фтористого водорода 5% суспензиями CaO, MgO, Fe2O3 [4,5] с абсорбцией фтористых газов суспензией фосфорита показали, что по достигаемой степени очистки и продолжительности отработки суспензия фосфорита превосходит относительно дорогие поглотители, содержащие СаО, МgО и Fe2O3. Появляется возможность замены их и других хемосорбентов, используемых при абсорбционной очистке газов от фтористого водорода, фосфоритной пылью. В результате абсорбции фтористых газов суспензией фосфорита получаются реализуемые сульфиды, фосфиды, фосфаты, а отработанная суспензия фосфорита после абсорбции возвращается в основной производственный цикл.

Аппаратурное оформление систем газопылеулавливания производства фосфорных удобрений зависит от состава и количества выделившихся газов и от возможности их утилизации. Пленка гидратированного кремнезема, образующегося при взаимодействии SiF4 c водой на поверхности раздела жидкость-газ, существенно уменьшает скорость перехода соединений фтора из газовой фазы в жидкую. Поэтому применение устройств и аппаратов, позволяющих ускорить разрушение этой пленки, будет способствовать лучшему контакту фаз и увеличению скорости абсорбции. Наличие кремнезема в кремнефтористоводородной кислоте, а также фторидов и других твердых примесей не позволяет использовать насадочные абсорберы из-за заростания и забивания насадки. Выбор аппаратов затруднен также ввиду необходимости тщательной коррозийной защиты оборудования и наличия больших объемов газовых потоков.

Способностью работать с большими объемами загрязненных газовых потоков обладают прямоточные аппараты с регулярной подвижной насадкой [6-8]. Высокоинтенсивный турбулентный режим способствует интенсификации массообменных процессов благодаря снижению сопротивления массоотдаче как в жидкой, так и в газовой фазах. Объемный коэффициент абсорбции фтористых соединений в этих аппаратах почти на порядок выше, чем в механических абсорберах, при сравнительно низком расходе энергии [9]. Движение насадочных тел в объеме аппарата препятствует забиванию насадки твердыми отложениями.

В разработанном нами аппарате происходит хемосорбционная очистка фторсодержащих газов суспензией фосфорита в слое регулярной подвижной насадки. Процесс хемосорбции сопровождается рядом диффузионных и химических стадий, скорость протекания которых определяет, в конечном счете, суммарную скорость процесса. Скорость химической реакции намного превышает скорость диффузионных процессов.

На границе раздела твердой и жидкой фаз растворимые компоненты фосфорита диффундируют вглубь жидкой фазы. Скорость диффузии и расстояние, пройденное ионами растворенного вещества, определяются степенью его растворимости. Одновременно протекает диффузия газа через границу газ - жидкость. Массопередача реагентов в жидкой фазе осуществляется за счет конвекции. Скорость химической реакции может также лимитироваться скоростью растворения солей. Интенсифицировать скорость растворения компонентов твердой фазы можно путем повышения температуры, но при этом ухудшаются условия сорбции газов.

Для описания процесса хемосорбции фтористых соединений суспензией фосфорита в слое регулярной подвижной насадки примем следующие допущения:

- на орошение подается суспензия фосфоритов с растворенными реагентами до начальной концентрации, равной концентрации насыщения;

- из-за кратковременного контакта фаз принимаем скорость растворения фосфорита, равной нулю;

- рассматриваем ступенчатый контакт фаз. На каждом слое насадки происходят полное перемешивание жидкой фазы и выравнивание концентрации растворенного вещества во всем объеме жидкости;

- рассматриваем внутреннюю задачу в жидкой фазе;

- рассматриваем систему с двумя реагентами: абсорбируемым компонентом концентрацией и нелетучим жидким компонентом концентрацией .

При взаимодействии фаз может протекать процесс хемосорбции в режиме быстрой реакции

, (1)

в режиме мгновенной реакции

, (2)

а также процесс физической абсорбции

, (3)

где - стехиометрический коэффициент реакции; - время диффузии, с; - время реакции, с; - начальная концентрация абсорбента в жидкой фазе, кг/м 3; - начальная концентрация поглощаемого вещества в жидкой фазе, кг/м 3.

В целом по аппарату наблюдается некоторый переходной режим от быстрой реакции к мгновенной или к режиму физической абсорбции в зависимости от высоты зоны контакта.

В случае, когда величина имеет тот же порядок, что и величина , процесс описывается системой [10]

,

. (4)

Граничные условия:

. (5)

Нелетучесть жидкого реагента накладывает условие отсутствия его массопереноса к границе раздела фаз:

, (6)

, (7)

для пленочной теории:

, (8)

, (9)

(10)

В первом приближении принимаем

. (11)

Дифференциальные уравнения и граничные условия для рассматриваемой задачи имеют вид:

, (12)

, (13)

, (14)

. (15)

Химическая реакция необратима:

. (16)

Дважды интегрируя уравнение (16) и подставляя условия (14) и (15), имеем

, (17)

где - значение на границе раздела фаз.

Первый член в квадратных скобках уравнения (17) представляет собой отношение действительного поверхностного градиента концентраций абсорбируемого компонента к градиенту концентраций, который мог бы установиться при физической абсорбции. Отсюда

, (18)

где - толщина пленки, м.

Обозначив через величину , которая будет рассчитана для случая мгновенной реакции:

. (19)

Подставляя уравнения (18) и (19) в (17), получим:

, (20)

. (21)

Профили концентраций реагентов в жидкой фазе имеют вид, представленный на рис.1.

Таким образом, высоту контактной зоны БВО целесообразно выбирать из условия протекания процесса в режиме быстрой или мгновенной реакции, т.е. она определяется концентрацией реагента в жидкой фазе и скоростью его выработки.

Список литературы

1. Архипова Л.Н., Рамм В.М., Мальцева И.М. Методы очистки и переработки фторсодержащих газов производства фосфорных удобрений // Журнал Всес. хим. общества им. Д.И. Менделеева.-1969.- Т.14, №4.- С.415-420.

2. Очистка газов в производстве фосфора и фосфорных удобрений/ Под ред. Э.Я. Тарата. - Л.: Химия, 1979.-208 с.

3. Балабеков О.С., Балтабаев Л.Ш. Очистка газов в химической промышленности.-М.: Химия, 1991.-256 с.

4. Изыскание различных поглотителей для обезвреживания фтористых соединений в аппаратах мокрого типа и сравнительная оценка их свойств: Отчет, тема 179-75, № 353, п/я 8796, Улогов А.В., Запорожье, 1975.

5. Балабеков О.С., Молдабеков Ш.М., Тарат Э.Я., Быков В.И., Серманизов С., Пазылбеков М.С. Исследование абсорбции HF и SiF4 различными поглотителями в абсорбере с орошаемой взвешенной шаровой насадкой // Тезисы докладов Всесоюзного научно-технического совещания "Пути совершенствования, интенсификации и повышения надежности аппаратов основной химии".- Сумы, 1980.- Ч.ІІ.- С. 76-81.

6. Пляцук Л.Д. Гидродинамика и массообмен в прямоточном массообменном аппарате с регулярной подвижной насадкой: Дис… канд. техн. наук: 05.17.08.-Казань, 1982.-206 с.

7. Геліх О.О. Інтенсифікація процесів масообміну в абсорберах з пульсаційною насадкою: Дис... канд. техн. наук: 05.17.08. - Суми, 1998.-160с.

8. Гурець Л.Л. Інтенсифікація процесу масообміну при низхідному прямотоці взаємодіючих фаз: Дис... канд. техн. наук: 05.17.08.-Суми, 2001.-136с.

9. Молдабеков Ш.М. Очистка фосфор-, фтор- и серосодержащих газов производства фосфора и его соединений. Дис… док. тех наук. -МХТИ им. Менделеева, 1984. - 384 с.

10. Астарта Дж. Массопередача с химической реакцией: Пер. с англ.-Л.:Химия, 1971.-224 с.

Размещено на Allbest.ru