Выбор оптимального абсорбента для очистки водородно-фтористого газа в роторно-фильтровальном аппарате и исследование эффективности аппарата

DOI: 10.32743/UniTech.2021.84.3-4.44-51

АННОТАЦИЯ

В статье приводятся результаты эксперимента по составу газов, образующихся при производстве минерального удобрения суперфосфат, и подбору абсорбента для их очистки. В соответствии с этим в цехе АС-72М АО "Ферганаазот" исследован процесс поглощения токсичного газа водородно-фтористого водорода из трехступенчатых смесительных реакторов, расположенных на технологической линии по производству суперфосфата, 10%, 20%, 30% растворами воды, технической соды с кальцием и соды карбоната натрия, а также влияние скорости газа на эффективность очистки роторно-фильтрующего аппарата. По результатам исследования в качестве оптимального абсорбента рекомендован 30% раствор кальциевой технической соды в воде для газообразного водорода-фтора.

ABSTRACT

The article presents the results of an experiment on the composition of gases formed during the production of mineral fertilizer superphosphate, and the selection of an absorbent for their purification. In accordance with this, the process of absorption of toxic hydrogen-fluoride gas from three-stage mixing reactors located on the technological line for the production of superphosphate, 10%, 20%, 30% solutions of water, industrial soda with calcium and sodium carbonate soda, as well as the effect of gas velocity on the cleaning efficiency of the rotary filter apparatus, was studied in the AS-72M workshop of JSC "Ferganaazot". According to the results of the study, a 30% solution of calcium technical soda in water for hydrogen gas-fluorine is recommended as the optimal absorbent.

Ключевые слова: суперфосфат, фторсодержащее соединение, фтороводород, очистка газов, абсорбционный метод, технический шампунь, кальциевая техническая сода, минеральное удобрение, мокрый метод, вторичные сбрасывающие газы.

Keywords: superphosphate, hydrogen fluoride, gas purification, absorption method, technical shampoo, calcium technical soda, mineral fertilizer, wet method, secondary discharge gases.

Введение

Сегодня продукция комплексов химического производства широко используется в народном хозяйстве. В частности, в настоящее время очень высок спрос на азотные, фосфорные и другие солевые удобрения. Поэтому мощности по производству такого рода продукции с каждым годом увеличиваются. В связи с увеличением производственных мощностей минеральных углей увеличивается и количество пыли и вторичных выхлопных газов, выделяющихся в результате различных технологических процессов. На предприятиях химического производства, расположенных в нашей республике, из-за износа технологического оборудования и невыполнения процессов в соответствии с установленными регламентами в атмосферу выбрасываются различные виды пыли и вторичных газов. До сих пор было проведено много исследований, направленных на очистку этих вторичных выхлопных газов, и были внедрены методы и сооружения, которые считаются многообещающими [1, 8]. Из исследовательских работ известно, что очистка вторичных выхлопных газов абсорбционным способом является высокоэффективной. Но актуальны вопросы достижения максимальной степени очистки и снижения энергозатрат процесса. При этом также важны вопросы выбора правильных абсорбентов для процесса при очистке вторичных выхлопных газов и повторного использования сточных вод, образующихся после очистки, в процессе переработки или в промышленности.

Исходя из вышеизложенного, данная исследовательская работа была направлена на абсорбционную очистку водородно-фтористого газа, образующегося в реакторах смешивания в процессе производства суперфосфатного минерального удобрения цеха АС-72М АО “Ферганазот” в роторно-фильтровальном аппарате.

Методология исследования. Исследования проводились в два этапа. На первом этапе изучался процесс поглощения вторичных токсичных газов (2HF и CO₂), выделяющихся из смесительных реакторов, в абсорбирующую жидкость в роторном фильтрующем аппарате.

Таблица 1.

Характеристика отходящих газов, выделяющихся при производстве простого суперфосфатного минерального удобрения на АО "ферганазот"

Опытная апробация по отбору абсорбционной жидкости для очистки водородно-фтористого газа и поглощению газов в жидкость проведена в отделе производства суперфосфатного минерального удобрения цеха АС-72М АО "Ферганазот". В соответствии с технологическим регламентом в реакторах-смесителях, установленных на линии, вещества для абсорбента отбирали по требованию ГОСТ 5100-85 с целью поглощения в состав воды с добавлением абсорбента сероводородно-фтористого газа, образующегося в результате реакции серной кислоты и фосфорита, и определения нейтральности кислоты в составе образующихся сточных вод. В соответствии с ним, с учетом поглощения вторичного токсичного газа и его быстрой адаптации к активной среде, был подготовлен 10, 20, 30% - ный раствор технической соды с кальцием (Na₂CO₃), соды карбоната натрия (Na₂CO₃·H₂O) и технической свечи в воде. Химическая реакция была рассчитана.

                                                (1)

В этом случае при поглощении водородно-фтористого раствора кальцинированной технической соды образовывались вода и натриево-фтористый раствор, а также углекислый газ.

                                              (2)

В этом случае при поглощении водородно-фтористого раствора соды карбоната натрия в воде образовывались 2 молекулы воды и раствор натрия-фтора и углекислый газ. Также при попадании водородно-фтористого раствора в водный раствор шампуня образовывались вода и натриево-фтористый раствор, а также углекислый газ. В опытной установке роторно-фильтровального пылеуловителя проанализировано поглощение газов, выходящих из трехступенчатого смешивающего реактора участка по производству суперфосфатных минеральных удобрений цеха АС-72М АО "Ферганазот", в жидкость с 10, 20, 30% - ным растворителем. На основании данных, полученных при изучении состава выхлопных газов, был проведен анализ на газообразный водород-фтор [2-5].

Проанализировано поглощение 10, 20, 30%-ным раствора отборных абсорбентов в жидкости из расчета г. газообразного фтороводорода.

Техническая сода с кальцием-1.88 гр, кальциево-карбонатная сода-1.11 гр, технический шампунь-0.83 гр на 100гр абсорбирующей жидкости в 10% растворе.

Техническая сода с кальцием-3,21 гр, сода гидрокарбонатная натриевая-2,44 гр, технический шампунь-0,98 гр на 100гр абсорбирующей жидкости в 20% растворе.

Техническая сода с кальцием-5,61 гр, сода гидрокарбонатная натриевая-3,28 гр, технический шампунь-1,12 гр на 100гр абсорбирующей жидкости в 30% растворе.

Учитывая высокую скорость образующегося в процессе производства водородно-фтористого газа, а также то, что на 1 м³ воздуха приходится 2697,79 мг токсичных газов и пыли, целесообразно выбрать 30% абсорбент, добавляемый в жидкость.

На втором этапе были проведены исследования по определению нейтральности сточных вод в следующих пределах; диаметр отверстия фильтрующего сетчатого материала d_ф= 3мм, Число оборотов ротора n = 25 об/мин, диаметр отверстия штуцера для разбрызгивания жидкости d_ш=3 мм, скорость газа в аппарате υ_г= 0.31÷34.4 м/с и температура внешней среды 20±2 ⁰С. Опыты на выбранных абсорбентах проводились в зависимости от скорости газа, поступающего в роторно-фильтрующий аппарат. Продолжительность каждого из проведенных опытов составляла 30 минут (Таблице 2.).

Таблица 2.

Результаты эксперимента по определению нейтральности газа, поглощенного в абсорбирующей жидкой среде

По технологическому требованию образующаяся сточная вода считается щелочной, когда количество ионов водорода превышает 7 pH, и может быть повторно использована в промышленности [6,8]. В скруббере, который в настоящее время используется в производственном процессе, это состояние составляет 3,5÷5,0 pH. Как видно из таблицы 1, поглощение токсичного газа в абсорбционную жидкость, добавляемую в качестве 10, 20, 30% раствора в воду, и повышение щелочности отработанной воды будут зависеть от скорости газа, поступающего в аппарат.

Результаты эксперимента. В опытах по определению эффективного поглощения водородно-фтористого газа в абсорбционную жидкость и определению эффективности очистки сооружения получены следующие результаты. При проведении экспериментальных исследований был использован метод К.Т.Симрауна и получены следующие результаты.

При наличии в воде 10% раствора технической соды кальция, натрия карбоната натрия и технического шампуня.

1. В технической белой соде с кальцием - скорость газа в диапазоне 7 ÷ 25,6 м/с, поглощение токсичного газа в жидкость до 87,4 ÷ 92,6%.

2. Сода карбонат кальция - абсорбция токсичного газа жидкостью при скорости газа от 7 ÷ 25,6 м/с до 81,8 ÷ 86,5%.

2. Технический шампунь - скорость газа в пределах 7 ÷ 25,6 м/с, поглощение токсичного газа жидкостью до 78,9 ÷ 84,7%.

При наличии в воде 20% раствора соды кальция технической, соды карбоната натрия и технического шампуня.

1. В технической белой соде с кальцием - газопоглощение токсичного газа в жидкость в пределах от 7 ÷ 25,6 м/с до 93,4 ÷ 98,9%.

2. Сода карбонат кальция - поглощение токсичного газа жидкостью при скорости газа от 7 ÷ 25,6 м/с до 84,7 ÷ 92,7%.

2. Технический шампунь - скорость газа в пределах 7 ÷ 25,6 м/с, поглощение токсичного газа жидкостью до 81 ÷ 88,5%.

При наличии 30% раствора технической соды кальция, соды карбоната натрия и технического шампуня в воде.

1. В технической белой соде с кальцием - скорость газа в диапазоне 7 ÷ 25,6 м/с, поглощение токсичного газа жидкостью до 96,1 ÷ 99,4%.

2. Сода карбонат кальция - газопоглощение токсичного газа в жидкость со скоростью 7 ÷ 25,6 м/с до 94 ÷ 97,3%.

2. Технический шампунь - скорость газа в пределах 7 ÷ 25,6 м/с, поглощение токсичного газа жидкостью до 90,4 ÷ 95,6%.

Вид на фтористую соль натрия, образовавшуюся при абсорбции фтороводорода в растворимом (30%) абсорбенте, в камерах DSM-310 и под микроскопом SM001-CYANS (LANGDORPSSESTENGER-1603201) в 400-кратном увеличении.

1. В жидком 30%-ном растворе кальциевой технической белой соды было поглощено 5,61 г. водородно-фтористого газа на 100 г жидкости (рис.2).

Рисунок 1. Кальцинированная техническая сода

2. В жидком 30%-ном растворе соды карбоната натрия водородно-фтористый газ был поглощен 3,28 г на 100 г абсорбирующей жидкости (рис.3).

Рисунок 2. Сода карбонат натрия

3. В жидком 30%-ном растворе технического шампуня водородно-фтористый газ был поглощен 1,12 г на 100 г абсорбирующей жидкости (рис.3).

Рисунок 3. Технический шампунь

Результаты вышеуказанного лабораторного анализа показывают, что 30% раствор технической соды кальция является наиболее подходящим абсорбентом для очистки газообразного фтороводорода по сравнению с водными растворами карбоната натрия и техническим шампунем. По результатам экспериментов был построен график зависимости эффективности очистки устройства от скорости газа, подаваемого в устройство. Результаты эксперимента представлены на рисунках 1, 2, 3.

1- 10% - ном растворе кальциевой технической соды на воде; 2- 10% - ном растворе соды карбоната натрия в воде; 3- 10% растворе технического шампуня в воде;

Рисунок 4. Зависимость эффективности очистки η от скорости газа υ_г

1. В 20% - ном растворе кальциевой технической соды на воде; 2. В 20% - ном растворе соды карбоната натрия в воде; 3. В 20% - ном растворе технического шампуня в воде;

Рисунок 5. Зависимость эффективности очистки η от скорости газа υ_г

1. В 30% - ном растворе кальциевой технической соды на воде; 2. В 30% - ном растворе соды карбоната натрия в воде; 3. В 30% - ном растворе технического шампуня в воде;

Рисунок 6. Зависимость эффективности очистки η от скорости газа υ_г

При помощи метода наименьших квадратов к графическим зависимостям, представленным на рисунках 1,2,3, получены следующие эмпирические формулы [9,10]:

При наличии 10% - ного раствора технической соды с кальцием, соды карбоната натрия и технического шампуня в воде.

                                        (3)

                                       (4)

                                       (5)

При наличии 20% - ного раствора технической соды с кальцием, соды карбоната натрия и технического шампуня в воде.

                                      (6)

                                     (7)

                                     (8)

При наличии 30% - ного раствора технической соды с кальцием, соды карбоната натрия и технического шампуня в воде.

                                     (9)

                                   (10)

                                   (11)

Испытания, полученные при применении графита для очистки образующегося в смесительных реакторах в процессе производства суперфосфата газа фтороводорода, показали, что эффективность очистки на 5,7% выше, чем у существующего скруббера для очистки влажным способом, а нейтральность (pH) образующейся в процессе очистки сточной воды увеличилась с 5,4 до 9,9. Эксперименты с выбранными абсорбентами проводились в зависимости от скорости газа, поступающего в устройство. Продолжительность каждого эксперимента составляла 30 минут. Лабораторные анализы для определения нейтральности газа, абсорбированного абсорбирующей жидкостью, приведены в таблице 3. Полученные результаты по нейтральности газа, поглощенного в абсорбционную жидкость, приведены в таблице 3 ниже.

Таблица 3.

Полученные результаты по нейтральности поглощенного газа в абсорбционной жидкости

Когда кислотная нейтральность сточных вод, образующихся в соответствии с технологическими требованиями, превышает 7pH, сточные воды считаются щелочными и могут быть повторно использованы в промышленности. В скруббере, используемом в производственном процессе, это состояние составляет 3,5 ÷ 5,0 pH. Как видно из Таблицы 3, очистка газообразного фтороводорода абсорбционной жидкостью с добавлением 10,20,30% раствора в воду и повышение нейтральности образующихся сточных вод зависит от скорости газа, подаваемого в систему. устройство.

Если кислотность сточных вод, образующихся в соответствии с технологическими требованиями, превышает 7 pH, сточные воды считаются щелочными и могут быть повторно использованы в промышленности. В скруббере, используемом в производственном процессе, это состояние составляет 3,5 ÷ 5,0 pH. Как видно из Таблицы 3, очистка газообразного фтороводорода абсорбционной жидкостью с добавлением 10, 20, 30% раствора в воду и повышение нейтральности образующихся сточных вод зависит от скорости газа, подаваемого в систему. устройство.

Вывод.

- Установлено, что поглощение ядовитого газа в абсорбционную жидкость и повышение щелочности сточных вод зависят от скорости газа, поступающего в аппарат.

- При очистке водородно-фтористого газа установлено, что расход составляет 17,32 м/с, что является оптимальным параметром для 30% - ного раствора технической белой соды с кальцием в воде и КПД очистки 97,42%.

- Учитывая высокую скорость образующегося в процессе производства водородно-фтористого газа, а также то, что на 1 м³ воздуха приходится 2697,79 мг токсичных газов и пыли, целесообразно выбрать 30% абсорбент, добавляемый в жидкость.

Список литературы:

1. Исомиддинов А.С., Разработка эффективных методов и устройств очистки пылевых газов химической промышленности: Дис. … д-ра наук. – Ташкент, – 2020. – 118 с.
2. Исомидинов А.С., Тожиев Р.Ж., Каримов И.Т. Роторное устройство для очистки запыленных газов мокрым способом // Научно-технический журнал Ферганского политехнического института. – Фергана, – 2018. – №1. – Б. 195–198.
3. Исомидинов А. С. Исследование гидравлического сопротивления роторно-фильтрующего аппарата // Universum: технические науки. – 2019. – №. 10-1 (67).
4. Isomiddinov A. et al. Application of rotor-filter dusty gas cleaner in industry and identifying its efficiency // Austrian Journal of Technical and Natural Sciences. – 2019. – №. 9-10.
5. Isomidinov A. Mathematical modeling of the optimal parameters of rotory filter apparatus for wet cleaning of dusty gases // International journal of advanced research in science, Engineering and technology. – India. – 2019. – 6(10).–pp.258-264.
6. Исомидинов А.С., Каримов И.Т., Тожиев Р.Ж. Чангли ҳавони тозаловчи ротор-фильтрли қурилма фильтрловчи тўрли материалининг актив ва пассив юзаларини аниқлаш // Актуальные проблемы внедрения инновационной техники и технологий на предприятиях по производству строительных материалов, химической промышленности и в смежных отраслях. I-Международной научно-практической конференции. – Фергана, – 2019. – Б. 429-431.
7. Исомидинов А.С., Каримов И.Т., Тожиев Р.Ж. Ротор фильтрли чанг тозалаш қурилмасига берилаётган суюқлик сарфини тажрибавий аниқлаш // Замонавий ишлаб чиқаришнинг иш самарадорлиги ва энерго-ресурс тежамкорлигини ошириш муаммолари. Халқаро илмий-амалий анжуман. – Андижон, – 2018. – Б. 424-428.
8. Чистякова А.Н., Квашнин И.М. Комбинированный струйно-инерционный мокрый пылеуловитель // Пылегазоочистка. – Москва, – 2008. – 29-30 сентября. – С. 29-32.
9. Кобзарь А.И. Прикладная математическая статистика. Для инженеров и научных работников. – Москва: Физматлит, – 2006. – 816 с.
10. Выгодский М.Я. Справочник по высшей математике. – Москва: Наука, – 1972. – 872 с.