Изучение взаимосвязи концентрации паров серной кислоты в отходящих газах на выходе из промывного отделения с условиями и параметрами технологического процесса ее получения

К содержанию номера журнала: Вестник КАСУ №4 - 2010
Автор: Давыдов Юрий Федорович

Значительные колебания температуры в течение всего времени технологического процесса производства серной кислоты на предприятиях цветной металлургии приводят к существенным колебаниям концентрации основных компонентов пылегазовых потоков. Причем, взаимная зависимость их концентрации принимает неявный вид.

Основными участками сернокислотного производства, на которые влияет температурный и динамический режим работы, являются сушильные башни, моногидратные абсорберы, теплообменники, напорные баки. Изменение температурного режима или расхода газообразной или парообразной фазы пылегазовых потоков ведет к перераспределению содержания их основных токсичных компонентов SO₂; SO₃; Н₂SO₄.

Содержание сернистых составляющих газовых потоков, отходящих от сернокислотных производств, находится в зависимости от температурного режима работы сушильных башен, в том числе и от температуры кислоты, поступающей на верхний вход в башню. Зависимость содержания SO₃ и Н₂SO₄ в отходящих газах от температуры в этом случае является обратно пропорциональной, как показано на рисунках 8 и 9. Содержание составляющих SO₂, SO₃, H₂SО₄ в газовом потоке пропорционально его расходу. Зависимость SO₂ = f (Q) показана на рисунке2.

Взаимная зависимость концентраций SO₂, SO₃, H₂SО₄ в отходящих газах определяется режимом проведения всех основных процессов производства серной кислоты и расходом газовых смесей. На рисунке 4 показана взаимная зависимость концентрации SO₂ = f (H₂SO₄) в отходящих газах.

Рисунок 1 - Зависимость концентрации серной кислоты в отходящих газах на входе в санитарную трубу от температуры в сушильной башне

Рисунок 2 - Зависимость содержания SO₃ в отходящих газах на входе в санитарную трубу от температуры в сушильной башне

Рисунок 3 - Зависимость концентрации диоксида серы в отходящих газах от расхода газового потока

Рисунок 4 - Взаимосвязь между концентрацией серной кислоты и диоксида серы в отходящих газах на входе в санитарную трубу

Профиль концентрации паров серной кислоты в газовых потоках, отличных от монофазных, определяется различной их концентрацией (плотностью) по диаметру трубопровода. Значительное колебание размеров капель Н₂SO₄ обусловлено изменением скорости потока по поперечному сечению, изменением расхода и температуры выбросных газов. Характер распределения концентрации Н₂SO₄по живому сечению потока соответствует профилю скорости двухфазных потоков и подчиняется закону формирования пузырьковых фаз. При меньших скоростях увеличиваются возможности роста жидкостных пузырьков, приводя к перераспределению плотности всего потока с максимальными ее значениями у твердых границ. Непрерывное изменение во времени и по длине трубы местных концентраций жидкостной фазы могут привести к возникновению скачка уплотнения (давления) исключающего работу системы в допустимом режиме и не дающего возможность измерения параметров потока оптическими методами. При движении в газовом потоке капель различных размеров скорости их движения будут неодинаковыми, что вызвано различием их масс, начальных условий и неодинаковыми силами сопротивления. Для того, чтобы считать модель движения подобных потоков соответствующей движению отдельной частицы, состояние которой однозначно определяется ее массой, вектором скорости, температурой, вектором момента количества и параметрами окружающего ее газа, необходимо выполнение условий, исключающих бесконечное и беспорядочное ее столкновение с другими частицами. Для того, чтобы эта модель была близка к действительности, должны выполнятся условия; чтобы нестационарные возмущения, вызванные процессом взаимодействия капель, затухали задолго до их следующего столкновения; температура не изменялась по пространству внутри объема капли; поле скоростей в капле мало отличалось от поля скоростей эквивалентного твердого тела, скорость центра масс и угловая скорость вращения у которого совпадают со скоростью движения и вращения капли.

При движении капель серной кислоты в выбросных потоках сернокислотных производств предприятий цветной металлургии выполняются все три условия. Для первого условия необходимо выполнение условия τ_дис << Т; τ_тепл << Т, где τ_дис - время затухания нестационарных возмущений в капле в е раз за счет вязкой диссипации энергии; τ_тепл - характерное время выравнивания температуры внутри капли за счет теплопроводности, Т - среднее время между двумя последовательными столкновениями капли.

(1)

(2)

где

r - радиус капли равен 10^-2 ... 10^{-7 м;}

а - температуропроводность;

u - средняя относительная скорость движения капель;

n - число капель в единице объема.

При движении газовых потоков содержащих капельную серную кислоту условие τ_дис << Т выполняется:

τ_дис ≈ 5 · 10^-7 c ; τ_тепл ≈ 8 ·10^-7 c; T~ 10^-4 c

При течении в трубах двухфазной смеси, состоящей из газа и капель, размеры последних являются одним из существенных параметров, определяющих интегральные характеристики всего потока. В двухфазных потоках эти размеры изменяются как в результате дробления капель газовым потоком, так и вследствие массообмена между ними в процессе столкновений. Последний включает в себя слияние капель, обмен массой, дробление капель. Важнейшей интегральной характеристикой, определяющей закономерность массообмена при воздействии капель в двухфазном потоке, является параметр коагуляции и дробления Ф_ji.

(3)

где

γ_ji = Д₂ / Д₁; Д₁ и Д₂ - диаметры частиц капель Н₂SO₄.

Выражение (3) применимо при 1 < γ_ji < 3.

Экспериментальные данные позволили получить зависимость, которая, в отличие от (3), дает возможность определить Ф_ji в диапазонах γ_ji > 1.

(4)

где

Т₁ = λ ; Т₂= 2 λ² - 1 - полиномы Чебышева.

Аргумент λ имеет вид:

(5)

В работе рассмотрена модель, предложенная Бенковым для течения в круглых трубах. Принимается, что скорость и концентрация изменяются по степенному закону:

(6)

где

v_m и с_m - значение скорости и концентрации на оси трубы;

у - расстояние от стенки;

r_о - радиус трубы.

Из (6) определяется среднее значение:

(7)

где:

параметр n = 0,1...5;

m = 2...7

Выражение (7) показывает взаимосвязь концентрации и скоростей потока, а соответственно Д_H₂_SO₄ и V. Поэтому возникает необходимость перераспределения профиля скоростей и давлений, таким образом, чтобы создать равномерное распределение Д_H₂_SO₄ по диаметру трубы, то есть исходя из (5, 6, 7) необходимо создание приосевой зоны пониженного давления.

Константы Re₀, L_ро, λ_о обеспечивают изменение в пределах 0< λ <1. Коэффициенты А, В, С и показатели степени α, β, δ выбираются из условия минимума суммы S, составленной по методу наименьших квадратов.

(8)

где

Ф_ji, Ф_ji^k - расчетные и опытные значения параметра коагуляции и дробления;

k - номер серии;

N - общее число серий, таким образом определяется минимум функций S= = S( A, B, C, α, β, δ ) с учетом граничных условий по λ.

(9)

В результате расчетов получены зависимости:

(10)

(11)

Re_о = 383,6; L_ро = 370, 37; γ_o = 2,37

Результаты расчетов приведены на рисунке 5.

Рисунок 5 – Зависимость изменения размера частиц Н2SO4 по диаметру трубы

Существующие методы определения концентрации серной кислоты (аэрозоля) отличаются сложностью и долгосрочностью проведения процесса измерения, необходимостью создания лабораторной базы и невозможностью непрерывного контроля. Турбидиметрическое определение аэрозоля серной кислоты основано на реакции серной кислоты с хлоридом бария, при этом определению мешают сульфаты. Предел обнаружения серной кислоты - 0,5 мг/м³. Метод требует большого количества посуды и приборов: аспирационное устройство, патроны для фильтров, колбы мерные, стаканы химические, фотоэлектрический колориметр-нефелометр, Рн-метр.

При фотометрическом измерении концентрации серной кислоты также необходимо иметь большое количество лабораторного оборудования. Проведению измерения мешают сульфаты железа, сильные кислоты.

Время взятия проб и определение концентрации серной кислоты для отдельного измерения по каждому из рассмотренных методов не менее тридцати минут. Суммарные погрешности измерения составляют до 25%. При отборе проб поток необходимо аспирировать через фильтр. Сложность проведения процессов измерения и большой интервал времени его проведения исключают возможность непрерывного контроля концентрации серной кислоты, что является необходимым условием при значительных колебаниях концентрации серной кислоты, особенно при нештатных ситуациях.

Наиболее перспективными для автоматического измерения и непрерывного контроля концентрации паров серной кислоты являются приборы, основанные на оптических методах контроля. Показания пылемеров, основанные на качественных методах контроля, в том числе и оптических, зависят от свойств контролируемой среды, что приводит к необходимости разработки, изготовления и испытаний в промышленных условиях устройств формирующих потоки, необходимые для оптимальной работы пылемеров. Оптические пылемеры по принципу действия можно разделить на две группы: пылемеры, основанные на преобразовании ослабленного контролируемой средой излучения, и пылемеры, основанные на преобразовании рассеянного контролируемой средой излучения.

Необходимость формирования монодисперсного потока в сечениях установки оптического пылемера связана с его конструктивными и технологическими особенностями, приводящими к снижению эффективности работы измерительно-контрольного устройства при наличии полидисперсных сред. Это связано с закономерностями прохождения сигнала оптического пылемера в потоках содержащих капли серной кислоты различной крупности. Процесс ослабления излучения запыленной газовой средой описывается законом ослабления Ланберта-Бугера-Бера. В качестве независимой переменной вводится массовая концентрация пыли С. В качестве величины, определяющей степень ослабления излучения, применяется коэффициент ослабления β_ом, нормированный на единицу массы контролируемого компонента.

, (м²/г) (12)

где

β_ос - коэффициент ослабления, нормированный на единицу объема контролируемого компонента;

ρ - плотность вещества (г/м³);

β_о - объемный коэффициент ослабления [м²/м³];

Х - размер одиночной частицы;

φ_n₍_x₎- плотность распределения числа частиц по размерам;

K_o (Х) - безразмерный фактор эффективности ослабления частицы размером К;

k = 2π/λ, λ - длина волны облучающего света (мкм).

При движении потоков, включающих в себя полидисперсную фазу капельной серной кислоты, выражение (12) является нестационарной функцией, зависящей от различных факторов. В случае приведения потока к виду монодиcперcной среды выражение (12) значительно упрощается, так как φ_n₍_x₎ = =const, Х - не меняется во времени, Х = const и, соответственно, коэффициент β_ом не зависит, в исследуемом сечении, от изменения параметров газового потока во времени.

, (м^-1) (13)

, (м^-1) (14)

Переход от выражений (13) и (14) к зависимости (12) возможен при замене в законе ослабления (15) объемной концентрации массовой концентрацией С (15).

(15)

где

Ф_ос - ослабленный поток излучения (мм);

Ф_о - облучающий поток (мм);

L - толщина слоя ослабляющей среды (м);

μ - относительная объемная концентрация контролируемого компонента (м³/м³).

(16)

С учетом (15) в законе (16) необходимо показатель степени при е умножить и разделить на плотность вещества частиц:

(17)

Таким образом, эффективность работы оптического пылемера зависит от степени дисперсности потока и его применение для определения и контроля концентрации паров и капель серной кислоты возможно лишь при соответствующем формировании монодисперсного потока.

Установленная связь между концентрацией серной кислоты, двуокиси серы и сернистого ангидрида на входе в выбросную (санитарную) трубу и температурным и динамическим режимом работы отдельных участков и узлов сернокислотного производства предприятий цветной металлургии определяет необходимость непрерывного и высокоточного измерения концентрации сернистых компонентов. Применение, в качестве измерительного устройства, оптического пылемера требует подготовки монодисперсного потока на рабочем участке измерения. Формирование монодисперсных потоков требует разработки и создания устройств, позволяющих переводить полидисперсные двухфазные потоки в монодисперсные, за счет переформирования в них полей скоростей и давлений. Подобное распределение характеризует закрученные потоки с непрерывным распределением массы по пути их движения.

ЛИТЕРАТУРА

1. Вольский А.Н., Сергиевская Е.М. Теория металлургических процессов. - М.: «Металлургия», 1968. - 344с.

2. Уткин Н.И. Металлургия цветных металлов. - М.: «Металлургия», 1985. – 440 с.

3. Шиврин Г.Н. Металлургия свинца и цинка. - М.: «Металлургия», 1982. - 352 с.

4. Гудима Н.В., Шейн Я.П. Краткий справочник по металлургии цветных металлов. - М.: «Металлургия», 1975. - 536 с.

5. Васильев Б.Т., Отвагина М.И. Технология серной кислоты. - М.: «Химия», 1985. - 384 с.

6. Амелин А.Г. Технология серной кислоты. - М.: «Химия», 1971. - 496 с.

7. Амелин А.Г., Ямке Е.В. Производство серной кислоты. - М.: «Высшая школа», 1980. - 245 с.

К содержанию номера журнала: Вестник КАСУ №4 - 2010