автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.01, диссертация на тему:Усовершенствование реакторного узла в производстве экстракционной фосфорной кислоты

Гч.

Я? 2«

со ^

— (Г) счу

На правах рукописи

ГРИГОРЬЕВ КИРИЛЛ БОРИСОВИЧ

УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ РЕАКТОРНОГО УЗЛА В ПРОИЗВОДСТВЕ ЭКСТРАКЦИОННОЙ ФОСФОРНОЙ

КИСЛОТЫ

(АЗОТНОСЕРНОКИСПОТНОЕ РАЗЛОЖЕНИЕ ФОСФАТОВ)

05. 17. 01 — Технология неорганических веществ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва — 1997

Работа выполнена в Российском химико-технологическом университете им. Д.И.Менделеева на кафедре общей химической технологии.

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Беспалов A.B.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Родионов А.И.; кандидат технических наук Михайлов A.B.

Ведущая организация — Институт по проектированию заводов основной химической промышленности (АО "ГИПРОХИМ").

Д 053.34.10 в Российском химико-технологическом университете им. Д.И.Менделеева (125047, Москва, А-047, Миусская пл., д.9).

С диссертацией можно ознакомиться в Научно-информационном центре РХТУ им. Д.И.Менделеева.

:ртации состоится

1997 г. в

заседании специализированного совета

Автореферат разослан

1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Увеличение выхода Р205 в продукционную кислоту, тремление к проведению полугидратного процесса получения экстракционной фос-зорной кислоты (ЭФК) при пониженных температурах, дефицит высококачественного еросодержащего сырья лежат в основе поиска новых нетрадиционных подходов к со-ершенствованию технологии ЭФК.

Азотносернокислотный метод переработки фосфатного сырья целесообразен и ерспективен: добавление небольших количеств (до 5%) азотной кислоты в реактор, це осуществляется сернокислотное разложение фосфата, позволяет повысить выход '205 в продукционную кислоту, получить легко фильтрующийся сульфат кальция, зна-ительно повысить концентрацию Р2О5 в ЭФК и реализовать низкотемпературный по-угидратный режим.

Однако, должного внимания стадиям, сопутствующим азотнссернскислотному азложению фосфатного сырья в реакторе, таким как абсорбционная (совместное по-тощение оксидов азота и фтористых соединений; общие потери в расчете на НМ03 с ззовыделением составляют до 10% от вводимого количества Н!\Ю3), охлаждение от-одящих газов реактора разложения фосфатов, а также поддержание температуры еакционной пульпы в реакторе на постоянном уровне, не уделяется.

Работа выполнена в соответствии с Постановлением ГКНТ при СМ СССР от 7.04.89г., задание 15.6. "Разработка новых энергосберегающих технологий с исполь-эванием инжекционных струйно-форсуночных аппаратов для производства экстрак-ионной фосфорной кислоты", а также с координационным планом РАН "еоретические основы химической технологии".

Цель работы. Улучшение технологических показателей реакторного узла азотно-эрнокислотного разложения фосфатов, включающего на стадии абсорбции отходя-,их газов из реактора, загрязненных оксидами азота, парами азотной кислоты и сочинениями фтора, струйный аппарат инжекционного типа, и снижение вредных выносов в производстве ЭФК.

Научная новизна. Составлена математическая модель, позволяющая проанали-фовать влияние работы абсорбционной системы, включающей прямоточный струйки аппарат инжекционного типа с управляемым факелом распыла, на технопогиче-:ие показатели реакторного узла азотносернокислотного разложения фосфатов емпература реакционной пульпы, расход пульпы, поступающей в систему охлажде-ля и т.д.), а также оценить эффективность совместной абсорбции оксидов азота и

- 2 -

фтористых соединений, выделяющихся в газовую фазу из реактора.

Предложен механизм абсорбции оксидов азота в газожидкостном факеле прямоточного струйного аппарата инжекционного типа, учитывающий вклад азотистой кислоты как транспортирующего агента. Показано, что уменьшение отношения Ы0/Ы02 при невысоких концентрациях оксидов азота увеличивает степень поглощения N0*.

Установлено влияние геометрии газожидкостного факела на процесс совместной абсорбции оксидов азота и фтористых соединений, выделяющихся из реактора азот-носернокислотного разложения фосфатов.

Получены экспериментальные данные по эффективности улавливания модельной смеси оксидов азота различными поглотителями (зависимость степени поглощения от входной концентрации, коэффициента инжекции, сечения сопла форсунки, температуры) в прямоточном струйном аппарате инжекционного типа.

Практическая значимость результатов работы. Предложена новая аппаратурно-технологическая схема реакторного узла азотносернокислотного разложения фосфатов с частичным рециклом охлажденного и очищенного газа со стадии абсорбции.

Разработана новая конструкция прямоточного струйного аппарата инжекционного типа, позволяющая изменять корневой угол факела распыла в широких пределах, для абсорбции оксидов азота и фтористых соединений.

Разработаны алгоритм и пакет программ для расчета технологических показателей реакторного узла азотносернокислотного разложения фосфатов, а также охлаждения отходящих газов и совместного улавливания оксидов азота и фтористых соединений в прямоточном струйном аппарате инжекционного типа.

Результаты работы переданы ГИПРОХИМу для проектирования реакторных узлов азотносернокислотного разложения фосфатов с использованием струйных аппаратов.

Апробация работы. По результатам работы были сделаны доклады на Международных конференциях молодых ученых по химии и химической технологии "МКХТ-8* (Москва, 1994), "МКХТ-9" (Москва, 1995) и "МКХТ-10" (Москва, 1996).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ, из них два положительных решения на выдачу патентов РФ на изобретения (по заявке № 94025423/26 от 3.11.95 и по заявке № 34025424/26 от 12.09.35).

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав выводов и списка литературы, насчитывающего 121 наименование. Работа изложена

на 168 страницах машинописного текста, содержит 17 таблиц, 45 рисунков и 2 приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и основные задачи исследования, изложены основные результаты и положения, выносимые на защиту.

В первой главе излажены тенденции развития технологии производства ЭФК и минеральных удобрений при азотнскислотном и азотносернокислотном разложении фосфатов. Рассмотрены физико-химические основы азотнокислотной и азотносерно-кислотной переработки фосфатного сырья. Проанализированы источники выделения оксидов азота и фтористых соединений в процессе разложения фосфатного сырья в реакторе, проблема снятия избыточного тепла от реакционной пульпы. Вызолено, что азотносернокислотная переработка фосфатов позволяет наиболее полно использовать как применяемые кислоты, так и фосфатное сырье.

Многие авторы указывают на высокую экономичность азотносернокислотного разложения фосфатов по сравнению с традиционным сернокислотным разложением (в среднем до 15%). Анализ литературы также показывает, что азотносернокислотный способ менее требователен к качеству исходного перерабатываемого фосфатного сырья.

Во второй ГЛ55Э дзко опиСаНгЮ опьттно—промышленного производство ЗЖ (азот-носернокислотная переработка фосфатов). Показано, что введение в реактор разложения в процессе сернокислотного разложения фосфатного сырья азотной кислоты в условиях кристаллизации дигидрата сульфата кальция (ДСК) и полугидрата сульфата кальция (ПСК) значительно увеличивает степень извлечения Р2О5 в раствор, повышает коэффициент отмывки фосфогипса. Перспективность использования азотносернокислотного разложения фосфатного сырья показана для различных видов сырья (Хибинского апатита, фосфоритов Каратау).

Анализ опытно-промышленных испытаний показывает, что окончательно не решенными проблемами данной технологии являются: низкая эффективность совместного улавливания оксидов азота и соединений фтора из отходящих газов реактора разложения, охлаждение отходящих газов и реакционной пульпы. Решить вышеназванные проблемы возможно с помощью струйной техники.

В третьей главе приведены результаты численного моделирования

процессов охлаждения отходящих газов реактора азотносернокислотного разложения и поглощения из них оксидов азота и фтористых соединений.

Основу математической модели указанных процессов составляет система дифференциальных и критериальных уравнений, причем, существенным отличием от ранее предложенных моделей (Галустов B.C., Зотов Е.Б.) является учет реальной геометрии газожидкостного факела распыла, а также характера движения жидкости в прямоточном струйном аппарате инжекционного типа.

Основным гидродинамическим параметром, характеризующим работу прямоточного струйного аппарата инжекционного типа, является коэффициент инжекции КИ1Ж, представляющий собой отношение объемных расходов газовой к жидкой фаз:

Кинж = Qr /Ож 0)

Нами была составлена модель гидродинамики газожидкостного факела распыла, ограниченного стенками инжектора (стесненный факел), поскольку на практике этот случай встречается чаще, чем свободный факел. Модель позволяет рассчитывать коэффициент инжекции для прямоточных струйных аппаратов инжекционного типа с учетом реальной физической картины распыла факела жидкости (при выполнении условия о равномерном распределении капель жидкости в сечении факела). Модель справедлива для режима самоинжекции. Сравнение экспериментальных данных, полученных в аппаратах с различными геометрическими характеристиками (диаметр инжектора 0.2 и 0.7 м, диаметр сопла форсунки 0.006-0.037м, угол раскрытия факела 40-85°) при различных расходах жидкой и газовой фаз (Р^О. 1-0.6 МПа, Кинж=20-4500), с рассчитанными по предложенной модели дает расхождение не более 10-15%.

Конденсация (испарение) паров жидкости отражается на массе капель следующим образом: dmldx= л • D„• d32 • (рпара-рр)• Shг (2) ,где D п - коэффициент диффузии паров жидкости в газе, d32 - средний объемно-поверхностный диаметр по Заутеру, р rapa и рр - массовая концентрация пара жидкости в факеле и его равновесная концентрация соответственно, Sh г - число Шервуда.

Для расчета Shr выбрано уравнение: Sh г= 1.56 + 0,616 • Re0 5 • Sc 0 33 (3)

Изменение температуры жидкости определяется из теплового баланса для капли: и • d32 •NUr-A.^fT Г-Тж) = Птсж»с/Тж/Л + L-dm/eft (4)

,где m - масса капли, Тж и Тг- температура жидкости и газа, X г - теплопроводность газа, Nu г = 1.56 + 0,616«Re05 -Рг03Э, L - скрытая теплота испарения жидкости при Тж, Рг -

■мело Прандтля.

Влагосодержание газа рассчитывали по уравнению:

Tr* Gr» (с„ • х- с*) = - с,,* d (Тжт/0) - Сп* (Тж-Тг) • d х (5)

где х - влагосодержание, а d х - изменение влагосодержания за счет испарения жидко-гги; d Тжт'° - изменение температуры жидкости за счет теплообмена с газом; сп и Сж -теплоемкости пара и жидкости.

Учитывали поступление дополнительного объема газа из свободной области ин-кектора, захваченного газожидкостным факелом и обладающим своей температурой и 5лагосодержанием. Поэтому конечное изменение влагосодержания и температуры аза запишем так: di,= сп* Tr- dx + (с„» х+ сг) • dTr (6)

где d!, - изменение удельной энтальпии влажного газа за счет разбавления.

Так как процесс абсорбции оксидов азота и фтористых газов в производстве ЭФК фотекает при температуре отходящих газов из реакторной системы (tr = 50-70 °С), а емпература оборотной воды составляет 10-15 °С, то учитывали, что поток тепла на-

13

О

12 11 10 9 8 7 6

1 ! 1 1 ' I ' 1 1 1 ' 1 1 1

■ ^ _ _ - — "

Я я ^ " 2 □

______ —

▼______ ----- ------------- 4 V

, . f 1 1 . 1 ■ 1 » t

180 200 220 240 260 280 300 320 К Рис. 1. Перепад температуры жидкости от коэффициента инжекции при различных давлениях на форсунке и начальных температурах жидкости (D инж = 0,55 м, t г = 20 + 2 °С).

расчет по модели : - -1 -1* = 60 °С, Рж = 0.3 МПа

инж

-----2 - ^ = 60 °С, Рж = 0.2 МПа

------3-1ж = 50оС, Рж = 0.3МПа

--4 - ^ = 50 °С, Рж = 0.2 МПа

экспериментальные данные: (Зотов Е.Б., Беспалов A.B.) в -t!K = 60oC, Рж = 0.3МПа о - 1Ж= 60 QC, Рж= 0.2 МПа Т -50 °С, Рж= 0.3 МПа

V -t =50 ОС, Р = 0.2 МПа Ж ж

правлен от газа к капле, а влаги - от капли к газу, и в этом случае, несмотря на испарение, происходит нагревание жидкости и охлаждение газа.

Таким образом, система уравнений (2-6) совместно с уравнениями гидродинамики описывают процессы совместной тепломассопередачи в газожидкостном факеле распыла и позволяют рассчитывать изменение температуры газовой и жидкой фаз в прямоточных струйных аппаратов инжекционного типа с учетом реальной физической картины распыла факела жидкости и реального тепло- и массообмена между фазами. Сравнение экспериментальных данных, полученных в аппаратах с различными reo-метрическиN"И ХЗраКТСрг'СТИКЗтп (ДпатбТр инжектора 0.2, 0.55 и 0.7 м, диаметр сопла форсунки 0.006-0.037 м, угол раскрытия факела 40-85°) при различных расходах жидкой и газовой фаз (литературные данные, опытно-промышленный стенд кафедры ОХТ), с рассчитанными по разработанной математической модели, дает вполне приемлемую сходимость (расхождение не более 10-15%) (см. рис. 1).

При разработке модели абсорбции оксидов азота в газожидкостном факеле была принята двухгшеночная модель абсорбции. Обобщенно механизм абсорбции оксидов азота водой представлен на рис. 2.

NO,

Ч

NO ri

пр\

HNO.

пленка газа

■нр4 + нр-

-Крз+Нр-

ч-HNO;

+

HNO.

-»■HNO.

NO + NO,—*-HNOa-ппенка жидкости

-HNO.

-HNO.

жидкость

Рис. 2. Обобщенный механизм абсорбции оксидов азота водой.

Известно, что основными транспортирующими агентами при абсорбции оксидов азота водой являются Ы20з и 1\1204. .(овЫ и.В. с сотруд. считают, что НЫ02 при низких концентрациях оксидов азота выступает наравне с ЫзОз и N204 в качестве транспортирующего агента в процессе массопереноса из газовой фазы в жидкую, и указывают на необходимость учета вклада азотистой кислоты в процесс абсорбции при концен-

грации N0X менее 5*103 ppm и отношении NO/NO, более 0.5.

Изменение концентрации оксидов азота по высоте инжектора можно описать дифференциальным уравнением: Gsas • d Сцох = а • S f • RN0). - d z (7)

, где Ggae - расход газовой фазы, м3/с; CNOx - концентрация оксидов азота, кмоль/м3; а -эффективная поверхность контакта фаз м2/м3 ; S f - текущее сечение факела распыла; RNo, - скорость абсорбции оксидов азота, кмоль/(м2 • с ).

При азотносернокислотном разложении фосфатов степень окисленности оксидов азота в газовой фазе над реактором бывает достаточно велика, поэтому роль HN02 как транспортирующего агента в процессе абсорбции возрастает и начинает преобладать (небольшие концентрации NO„) над вкладом N203, N02 и Ы2Од, как было указано нами выше. Составляя модель абсорбции оксидов азота водой, учитывали вклад азотистой кислоты. Суммарную скорость процесса представим как :

Rnox=Ri + R2 (8)

где Ri = Rno2 + 2 • Rm2o4 + Rn2o3 + 1/2 • Rhno2 + R no2 - R'no;

R2 = Rn2o3 + 1/2 * Rhno2 + Rnû - R'no ■ Исходя из рассматриваемого нами механизма абсорбции оксидов азота в газо-кидкостном факеле, скорость поглощения каждого из оксидов и азотистой кислоты шпишем в следующем виде:

Rn:o. = {H • (к • D)1/2} „2о4 • P n2o, (9)

Rn2o3 = {H • (к • D)1/2} N2o3 • p n2o3 (10)

Rno2 = (2/3 • к no2 * D no2 • (H no2 • P no2 )3/2}1/2 (11)

R'no2 = k; * H nq2 * P n02 (12)

Rhno2= kj, • (k4 • Pno • Pno2 • Ph2o)1/2 (13)

Rno = k/' H no • pNO (14)

R'no = ki • ( Pno f ' Po2 (15)

где {H • (к • D)1/2} n2o4 и (H • (k • D)1/2} n2o3 - абсорбционный фактор быстрых реакций гсевдопервого порядка для N204 и N203 соответственно, м/с; p no ■ Р no2 , Рн2о . Ро2 -1арциальное давление оксидов азота, паров воды и кислорода соответственно в газо-юй фазе, атм; H No2. H No - константа Генри для оксидов азота, кмоль/(м3»атм); DN02 -гаэффициент диффузии, м2/с; k,, ks - коэффициенты массопереноса для жидкой и га-ювых фаз соответственно, м/с; К» - константа равновесия газофазной реакции образо-

вания азотистой кислоты, атм"1; к( - константа скорости газофазной реакции окисления N0, ррт1 »с V

Для моделирования процесса абсорбции фтористых газов водой в прямоточном струйном аппарате инжекционного типа систему уравнений (2-15) дополняль уравнениями: с/ Сж / т = 6 • К ♦ (Сг - Сж • Н) / с! 32 (16)

, где Сж- концентрация распределяемого компонента в жидкой фазе кг/м3; К - коэффи циент массопереноса; Сг - концентрация распределяемого компонента в газовой фазе кг/м3; Н - константа Генри;

К= рг- рж/(рг+ рж- Н) (17

рг = БЬг-Ог/с132, Рж = БИж • Ож/с132 (18

БПж= 1.13 - Го "°5 , Ож= 7.4 • 10"г • Тж/ Нж- (а' • М / V."-6) (19 Ро = х*Ож1? (20

, где Го - диффузионный критерий Фурье; а' - константа, зависящая от природы газа; И - молекулярная масса сорбируемого компонента; V,, - удельный объем сорбируемог« компонента.

Для расчета коэффициента массоотдачи со стороны газовой фазы рг используеп те же уравнения, что и для пара. Систему уравнений (16-20) дополняли уравнениям! фазового равновесия и уравнениями, учитывающими природу абсорбируемого газа.

100 95 90 85 ^ 80 ^ 75 70 65 60

50 100 150 200 250 300 К

ИНЖ

Рис. 3. Зависимость степени поглощения Я-газов от коэффициента инжекции (Тг = 55°С, Тж = 30°С, СР = 3,5 г/м3, Рж = 0,2 МПа, а = 55°).

10000

1000

г о

100

10

2

ш

- 1,2 - Ср = 3,5 г/м'\ "" ■

- 3.4 - Ср = 1 г/м3.

_I_I_1-1_I_I_!_

.Ж

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8

1.0

1,2 1,4 1,6

Рис. 4. Изменение концентрации Я-газов по длине инжектора (V = 45 °С, Ъ = 30 °С, К^ = 86, Рж = 0,2 МПа).

инж

,М

В результате моделирования получена расчетная зависимость степени поглощения Р-газов от коэффициента инжекции (рис.3). Степень поглощения уменьшается с увеличением коэффициента инжекции, что связано с увеличением объема газа, инжектируемого в аппарат.

Характер изменения концентрации НР и 31Р4 в газовой фазе по длине инжектора (рис. 4.) позволяет понять влияние геометрии факела на процесс абсорбции: в зоне свободного факела (0-0.05 м) происходит интенсивное поглощение фтористых газов водой. Дальнейшее раскрытие факела (практически горизонтальный участок на кривых 0.05-0.2м) вызывает более интенсивный подсос свежего газа из периферийной области инжектора, прирост количества поглощаемого компонента в газовой фазе, и за счет этого его концентрация остается практически постоянной или даже немного увеличивается. В зоне стесненного факела (0.2-1.4 м) подсос свежего газа прекращается и скорость абсорбции определяется только движущей силой - разностью фактической и равновесной концентраций.

Совместная система уравнений (2-20) решалась методом Рунге-Кутты IV порядка точности.

85 80 75 70

£

р 65 60 55 50

1 ' ■ I - В В 1 ■ 1

1 и

/ ■

• О О ъ/ ъ /

"в о/ ✓ / о / /д

У ■ -1 - с)с = 4 мм

о° 1 1 О А - 2 - <1с = 3 мм - 3 - с!с = 2.3 мм 1 . 1

Сзх, мг/?.

0 1000 2000 3000 4000

Рис.5. Эффективность улавливания оксидов азота в прямоточном струйном аппарате инжекционного типа от входной концентрации N0,, при различном диаметре сопел (1,2,3 - аппроксимирующие кривые, Рж = 0,45 МПа).

В четвертой главе обсуждаются экспериментальные данные по абсорбции оксидов азота на пилотной установке, основным элементом которой является прямоточный струйный аппарат инжекционного типа.

Установка состоит из следующих основных узлов: устройства подготовки жидкой фазы, системы дозирования газа и прямоточного струйного инжекционного аппарата со сменными форсунками.

Для анализа концентрации оксидов азота в газовой и в жидкой фазах использовали ионометрический метод.

Поскольку степень окисленности оксидов азота в отходящем газе после реактора азотносернокислотного разложения фосфатов составляет в среднем Ы0/Ы02=2-4, были составлены модельные смеси оксидов азота в соотношении Ы0/Ы02 равным 1-4,5.

На рис. 5 представлена экспериментальная зависимость эффективности улавливания оксидов азота в прямоточном струйном аппарате инжекционного типа от входной концентрации N0* при различных диаметрах сменных сопел. Использование таких окислителей, как КМп04 и (Ыги)2 С03 в качестве добавок к воде, не дало ощутимого прироста эффективности поглощения оксидов азота. Полученная зависимость эффективности улавливания оксидов азота от температуры подтверждает общее положение

90

I I I 1 I1 I I I | I I I " Г"Г ГТI | 1 I 1 Г--Т" I 1111

80 70 60 50 40 30 20

...... Ы0Ш02 = 1

---N0 / Ы02 = 4.5

9

• в'

« ' ' « » !

В А

10

10000

100 1000 Рис. 6. Эффективность поглощения ЫОх от их входной концентрации при

различной степени окисленности; в - экспериментальные данные, кривые - расчет по модели (Р ж = 0.45 МПа, с! с = 3 мм, а = 40 К инж = 80).

абсорбции: при уменьшении температуры процесса увеличивается эффективность поглощения.

Для оценки точности численного моделирования процесса улавливания оксидов азота водой в струйном аппарате икжекционного типа результаты расчета сравнивали с экспериментальными данными, полученными на пилотной установке, что и служило подтверждением правомерности разрабатываемой модели. На рис. 6 показано сравнение рассчитанных по модели значений эффективности поглощения оксидов азота с экспериментальными данными. Так как при проведении эксперимента соотношение ЫО/ЫОг не было постоянным и варьировалось в пределах от 1 до 4.5, то расчет вели для граничных соотношений М0/М02. Одновременно подобные зависимости дают возможность проследить влияние степени окисленности оксидов азота на степень их улавливания при различных входных концентрациях.

Как отмечалось выше, при абсорбции оксидов азота водой главными транспортирующими агентами являются Ы203 и М204, но также протекает физическая абсорбция, скорость которой для НМ02 выше, чем для N0 и М02. Поэтому в процессе абсорбции в газовой фазе происходит увеличение доли содержания N0 в смеси оксидов азота. Таким образом, увеличение степени окисленности (уменьшение соотношения Ы0/Ы02) увеличивает эффективность абсорбции, что наиболее сильно проявляется при

100 10

Е о.

О. 1

к

О- 0,1 0,01 0,001 0,0001

--———?■

» ч

• ..1.11, 1 • 1 N

10

Ц.см

Рис. 7. Изменение парциального давления оксидов азота по длине газожидкостного факела (с!с = 3 мм, начальное 1М0/Ы02 = 1, начальное СЫОх = 0.5 г/м3).

невысоких концентрациях N0,.

Сохранение достаточно высокой степени поглощения при низких концентрациях оксидов азота (и с ростом ЬЮ/ЫОг) обусловлено увеличением роли Ы2Оз и НЫ02, как транспортирующих агентов, с уменьшением парциального давления N0*. (рис.7.)

Сравнение результатов расчета с экспериментальными данными по эффективности улавливания оксидов азота, а также сравнение расчетных и экспериментальных коэффициентов инжекции, подтверждает правомерность предложенной модели.

Пятая глава. Исходя из математической модели охлаждения отходящих газов реактора азотносернокислотного разложения фосфатов, а также совместного поглощения из них оксидов азота и фтористых газов в прямоточном струйном аппарате инжек-ционного типа, при дополнении её тепловым балансом реактора (уравнения 21,22), разработана новая аппаратурно-технологическая схема реакторного узла с частичной рециркуляцией охлажденных и очищенных газов после стадии абсорбции (рис. 8).

0*36 = 4.156 ИО6- 10094 •!„ (21)

с1Т„ / ск = (0*6 • Сап - О™ - Оа6е) / (Ур • сп • рп) (22)

, где (5Изб - удельное избыточное тепло процесса разложения фосфатов; Т„ - температура пульпы; Сап - нагрузка по исходному сырью; 0ОХЛ - тепло, отводимое от реакционной пульпы в аппарате воздушного охлаждения; Оа6с - тепловой поток пазов после системы абсорбции; \/р - объем реактора; сп и р„ - теплоемкость и плотность пульпы.

Выполнен расчет технико- экономических показателей

усовершенствованного реакторного узла азотносернокислотного разложения и проверено сравнение с аналогичными показателями полузаводской непрерывно действую-цей установки (производительность 2 т/ч по исходному сырью, низкотемпературный юлугидратный процесс получения ЭФК с добавками НЫ03 - разработка Воскресенско-о филиала НИУИФа).

Расчет эффективности улавливания оксидов азота и соединений фтора водой щя инжекционного аппарата с различным диаметром инжектора и сечения сопла ф/Орсунки при изменении нагрузки по газу от 2 до 4 тыс. м^/ч показал, что наиболее »ффективным для одновременной абсорбции оксидов азота и фтористых соединений три устойчивой работе в указанном диапазоне нагрузок по газу можно считать аппарз-ы с диаметром инжектора 0,3 и 0,4 м и форсунками 15 и 20 мм.

Рис. 8. Принципиальная схема узла азотносернокислотного разложения фосфатов с использованием струйной техники. Основываясь на результатах, полученных по эффективности улавливания окси-(ов азота при различном времени циркуляции поглощающей жидкости, рекомендо-1ана кратность циркуляции абсорбционного раствора N в пределах 10-14. N можно побить с уменьшением отношения М0/Р402.

2,5 2.0

& 1,5

3

0,5 0,0

-1-'-1-- т ■■ - ' ■ 1 - N - кратность циркуляции * 1 N=3-

. поглотителя в системе

. абсорбции .

У N=7 .

N=11.

/

0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

N

Рис. 9. Изменение температуры пульпы в реакторе разложения от степени рециркуляции отходящих газов после системы абсорбции.

1,0 I °'8

0,6

N

отх

Рис. 10 Изменение расхода пульпы через ABO от степени рециркуляции отходящих газов после системы абсорбции.

Улучшить технологические показате

ли реакторного узла возможно, организу5

частичную рециркуляцию охлажденных i

очищенных газов после системы абсорб

ции под крышку реактора. Модель позво

ляет оценить влияние степени рециркуля

ции отходящих газов на температуру пуль

пы в реакторе разложения (рис.9), измене

ния расхода пульпы через штатную систе

му воздушного охлаждения (рис.10), изме

нение удельной выходной концентраци!

оксидов азота (рис.11) и соединений фто

ра после системы абсорбции.

Таким образом, предложенная технологическая схема реакторного узла азотнс

сернокислотного разложения фосфатов с частичной рециркуляцией охлажденных i

очищенных газов со стадии абсорбции, где используется высокоинтенсивный тепле

массобменный струйный аппарат инжекционного типа, позволит резко сократить объ

ем фтористых соединений и оксидов азота, выбрасываемых после очистки в окр>

жающую среду (в 6-10 раз), уменьшить объем жидких стоков на 25%, повысить съе!

* 0,4 U

0,2 0,0,

- d - 15 им, D„__. = 0,4 м с ' явх 1 V '

степень рециркуляции

1 - 11С1 / ■

.......... 2 - 50%

•------3 - 80%

2 .

3

/.■■......-.....

1

С З,г/и3

Рис. 11 Изменение удельной выходной концентрации ЫОх от входной при различной степени рециркуляции отходящих газов после системы абсорбции.

тепла реакционной пульпы (температура в реакторе уменьшается на 1-3 °С), уменьшить нагрузку по пульпе на систему охлаждения (до 10%).

ВЫВОДЫ

1. Составлена математическая модель, позволяющая проанализировать влияние работы абсорбционной системы, включающей прямоточный струйный аппарат инжекци-онного типа с управляемым факелом распыла, на технологические показатели реакторного узла азотносернокислотного разложения фосфатов (температура реакционной пульпы, расход пульпы, поступающей о систему охлаждения), а также оценить эффективность совместной абсорбции оксидов азота и фтористых соединений, выделяющихся в газовую фазу из реактора. На основе предлагаемой модели разработана аппаратурно-технологическая схема реакторного узла азотносернокислотного разложения фосфатов с частичным рециклом охлажденного и очищенного газа со стадии абсорбции.

2. Предложен механизм абсорбции оксидов азота в газожидкостном факеле прямоточного струйного аппарата инжекционного типа, учитывающий вклад азотистой кислоты как транспортирующего агента. Обнаружено, что уменьшение отношения Ы0/Ы02 при невысоких концентрациях оксидов азота увеличивает степень поглощения ЫОх.

3. Установлено влияние геометрии газожидкостного факела на процесс совместной абсорбции оксидов азота и фтористых соединений, выделяющихся из реактора азот-

НС^Српогчг!иЛоI 0 р^о^ фСС^сд I Си, л (О нийиш 11мГЗО ПрЭДЛи/Тй! I о г!О!3у 1С КСиСТруК"

цию прямоточного струйного аппарата инжекционного типа с изменяемым корневым углом факела распыла в широких пределах для абсорбции оксидов азота, фтористых соединений (а таюке диоксида серы).

4. Получены экспериментальные данные по эффективности улавливания модельной смеси оксидов азота различными поглотителями (зависимость степени поглощения от входной концентрации, коэффициента инжекции, сечения сопла форсунки, температуры) в прямоточном струйном аппарате инжекционного типа.

5. Разработаны алгоритм и пакет программ для расчета технологических показателей реакторного узла азотносернокислотного разложения фосфатов, а также охлаждения отходящих газов и совместного улавливания оксидов азота и фтористых соединений в прямоточном струйном аппарате инжекционного типа.

6. Результаты работы переданы ГИПРОХИМу для проектирования реакторных узлов азотносернокислотного разложения фосфатов с использованием струйных аппаратов.

- 16 -

По материалам диссертации опубликованы следующие работы:

1. Федосеев H.A., Григорьев К.Б., Зотов Е.Б., Беспалов A.B. Абсорбция оксидов азота в прямоточном струйном аппарате инжекционного типа // 8-ая Международная конференция молодых ученых по химии и хим. технологии "МКХТ-87 Тез. докл. - Москва, 1994. -С.160.

2. Григорьев К.Б., Зотов Е.Б., Беспалов A.B. Очистка газовых выбросов в прямоточном струйном аппарате инжекционного типа II там же - С.161.

3. Григорьев К.Б., Зотов Е.Б., Беспалов A.B. О возможности применения прямоточного струйного аппарата инжекционного типа в производстве минеральных удобрений II 9-ая Международная конференция молодых ученых по химии и хим. технологии "МКХТ-9"/Тез. докл. - Москва, 1995. - С. 87.

4. Григорьев К.Б., Беспалов A.B. Модель совместного тепломассообмена в прямоточном струйном аппарате инжекционного типа II 10-ая Международная конференция молодых ученых по химии и хим. технологии "МКХТ-107 Тез. докл. - Москва, 1996. -С. 142.

5. Григорьев К.Б., Беспалов A.B., Бесков B.C. Модель тепломассообмена в прямоточном струйном аппарате инжекционного типа II Хим. пром. -1996. - №8.- С.527-529.

6. Григорьев К.Б., Зотов Е.Б., Беспалов A.B. Моделирование гидродинамики факела распыла в прямоточном струйном аппарате инжекционного типа II Хим. пром. -1996. - №9. - С.569-574.

7. Беспалов A.B., Григорьев К.Б., Федосеев H.A., Зотов Е.Б. Очистка отходящих газов в процессе азотно-сернокислотного разложения фосфатов от оксидов азота в прямоточном струйном аппарате инжекционного типа. - М., 1996. - 26с. - Деп. в ВИНИТИ 14.12.1996 г. № 3617 В-96 Деп.

8. Григорьев К.Б., Беспалов A.B. Азотнокислотное разложение фосфатов: состояние, перспективы. - М„ 1996. - 24с. - Деп. в ВИНИТИ 14.12.1996 г. № 3616 В-96 Деп.

9. Беспалов A.B., Зотов Е.Б., Григорьев К.Б. Форсунка/ Положительное решение ВНИ-ИГПЭ о выдаче патента по заявке №94025424/26 от 12.09.1995г.

Ю.Беспалов A.B., Зотов Е.Б., Григорьев К.Б. Способ осушки обжигового сернистого газа /Положительное решение ВНИИГПЭ о выдаче патента по заявке № 9402542326 31155г.

11.Беспалов A.B., Федосеев H.A., Зотов Е.Б., Григорьев К.Б.. Очистка отходящих газов производства минеральных удобрений от оксидов азота в струйном аппарате инжекционного типа II Изв. ВУЗов. Сер. "Химия и хим. технош.) 1997. - (в печати).