Аппаратное оформление методов очистки промышленных газов от сероводорода

Описание методов очистки промышленных газов от сероводорода.Расчет абсорбера для улавливания сероводорода из коксового газа. ...

ВВЕДЕНИЕ
1.АНАЛИТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
1.1Описание методов очистки промышленных газов от сероводорода
1.2Аппаратное оформление методов очистки промышленных газов от
сероводорода
2.ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
2.1Выбор и описание принятой технологической схемы очистки коксового
газа от сероводорода
2.2Краткое описание и сравнительная характеристика аппаратов для
принятой схемы очистки
2.3 Расчет абсорбера для улавливания сероводорода из коксового газа
ВЫВОДЫ
ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК

В процессе коксования углей образуется большое количество промышленных газов, которые содержат сероводород, и другие соединения являющиеся вредными примесями как при использовании этих газов в качестве топлива, так и при производстве из них других химических соединений.
Содержание сероводорода в газе зависит от сернистости коксуемой шихты. Практические данные и специальные исследования показывают, что сероводород переходит 25 – 30% от всей серы угля. Содержание сероводорода в коксовом газе колеблется в очень широких пределах.

Поверхность контакта фаз в условиях такого гидродинамического режима резко снижается.Следует отметить, что переход от одного режима к другому происходит постепенно. Общие методы расчета границ гидродинамических режимов (критических точек) для барботажных тарелок отсутствуют. Поэтому при проектировании тарельчатых аппаратов обычно расчетным путем определяют скорость газа, соответствующую нижнему и верхнему пределам работы тарелки, и затем выбирают рабочую скорость газа.Колонны с тарелками без сливных устройств. В тарелке без сливных устройств газ и жидкость проходят через одни и те же отверстия или щели. На тарелке одновременно с взаимодействием жидкости и газа путем барботажа происходит сток части жидкости но нижерасположенную тарелку — «проваливание» жидкости. Поэтому тарелки такого типаобычно называют провальными. К ним относятся дырчатые, решетчатые, трубчатые и волнистые тарелки.Дырчатые тарелки аналогичны по устройству ситчатым тарелкам и отличаются от последних лишь отсутствием сливных устройств. Диаметр отверстий в этих тарелках равен 4—10 мм, а суммарная площадь сечения всех отверстий по отношению к сечению колонны составляет 10—25%.Решетчатые тарелки имеют отверстия в виде выфрезерованных или выштампованных щелей шириной 3—8 мм. Значения А в формуле (XI,30) те же, что и для дырчатых тарелок.Трубчатые тарелки представляют собой чаще всего решетки, образованные из ряда параллельных труб, присоединенных к коллектору.Волнистые тарелки — гофрированные металлические листы с отверстиями 4—8 мм.Дырчатые и решетчатые провальные тарелки отличаются простотой конструкции, низкой стоимостью изготовления и монтажа, сравнительно небольшим гидравлическим сопротивлением.К достоинству трубчатых провальных тарелок относится легкость отвода тепла от барботажного слоя на тарелке путем пропускания охлаждающего агента по трубам, из которых состоит тарелка. Однако эти тарелки в сравнении с дырчатыми и решетчатыми значительно сложнее по устройству и монтажу.Основной недостаток колонн с дырчатыми, решетчатыми и трубчатыми провальными тарелками — небольшой интервал изменения скоростей газа и жидкости, в пределах которого поддерживается устойчивая и эффективная их работа.В более широком диапазоне нагрузок работают воднистые провальные тарелки. Однако эти тарелки сложнее, чем дырчатые и решетчатые провальные тарелки по устройству и монтаж.1.2.4.Распыливающие абсорберыВ абсорберах этого типа тесный контакт между фазами достигается т. тем распыливания или разбрызгивания различными способами жидкости в газовом потоке.Полый распыливающий абсорбер представляет собой колонну, в верхней части корпуса 1 которой имеются форсунки 2 для распыливання жидкости (главным образом механические). В распыливающих абсорберах объемные коэффициенты массопередачи быстро снижаются по мере удаления от форсунок вследствие коалесценции капель и уменьшения поверхности фазового контакта. Поэтому оросители (форсунки) в этих аппаратах обычно устанавливают на нескольких уровнях.К достоинствам полых распиливающих абсорберов относятся: простота устройства, низкое гидравлическое сопротивление, возможность работы с загрязненными газами, легкость осмотра, очистки и ремонта.Недостатки этих аппаратов: невысокая эффективность, значительный расход энергии на распыливание жидкости, трудность работы с загрязненными жидкостями"; необходимость подачи больших количеств абсорбента для увеличения количества капель и соответственно— поверхности контакта фаз, низкие допустимые скорости газа, значения которых ограничены уносом капель жидкости.Распыливающие абсорберы применяются главным образом для поглощения хорошо растворимых газов так как вследствие высокой относительной скорости фаз и турбулизации газового потока коэффициенты массоотдачи в газовой фазе βг) в этих аппаратах достаточно высоки.Значительно более эффективными аппаратами являются прямоточные распыливающие абсорберы в которых распыленная жидкость захватывается и уносится газовым потоком, движущимся с большой скоростью 20—30 м/сек и более, а затем отделяется от газа в сепарационной камере. К аппаратам такого типа относится абсорбер Вентури (рис. X1-29), основной частью которого является труба Вентури. Жидкость поступает в конфузор трубы, течет в виде пленки и в горловине 2 распыливается газовым потоком. Далее жидкость выносится газом в диффузор 3, в котором постепенно снижается скорость газа, и кинетическая энергия газового потока переходит в энергию давления с минимальными потерями. Сепарация капель происходит в камере 4.К распыливающим относятся также механические абсорберы, в которых разбрызгивание жидкости производится с помошью вращающихся устройств, т. е. с. подводом внешней энергии для образования возможно большей поверхности контакта фаз между газом и жидкостью.Механические абсорберы компактнее и эффективнее распиливающих абсорберов других типов. Однако они значительно сложнее по устройству и требуют больших затрат энергии на осуществление процесса.Во многих случаях в системах газ—жидкость для диспергированияодной фазы в другой оказывается достаточным использование энергии потока газа, взаимодействующего с жидкостью, и подвод внешней энергии для этой цели нецелесообразен.2.ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ2.1Выбор и описание принятой технологической схемы очистки коксового газа от сероводородаВ данной работе была принята технологическая схема очистки коксового газа мышьяково – щелочным раствором.Метод основан на способности сероводорода замещать кислород в оксисульфомышьяковой соли натрия.Nа4 Аs2 S5 02 + Н2 S = Nа4 Аs2 S6 O + Н20, Nа4 Аs2 S6 O + Н2 S = Nа4 Аs2 S7 + Н20. Насыщенный сероводородом раствор регенерируют кислородом воздуха. При этом сульфомышьяковая соль натрия вновь окисляется в оксисульфомышьяковую соль и выделяется элементарная сера.Помимо основных реакций, в процессе поглощения сероводорода и регенерации раствора идут также и побочные.При регенерации раствора сульфогидрат частично окисляется кислородом воздуха в гипосульфит. Находящаяся в газе синильная кислота, сода и сера образуют роданистый натрий.В результате протикания побочных реакций в поглотительном растворе накапливаются нерегенерируемые соединения – гипосульфит и роданистый натрий.при поглощении Н2S и выделении элементарной серы выделяется 63,1ккал на 1 кмоль Н2S, при образовании гипосульфита 100,4 ккал на1 кмоль Н2S, перешедшего в гипосульфит, при образовании роданита 14,9 ккал на 1 кмоль Н2S, перешедшего в роданистый натрий.Исходными материалами для приготовления свежего раствора служат белый мышьяк (Аs2О3) и кальцинированная сода (Na2CO3). Белый мышьяк – ангидрид мышьяковистой кислоты (Аs2О3), его молекулярная масса 197,82, он ядовит.Для очистки коксового газа от сероводорода по мышьяково-содовому методу применяют белый мышьяк сорта I или II. Мышьяк обоих сортов представляет собой кристаллический порошок серого цвета. В мышьяке сорта I или II соответственно должно содержаться не менее 95 и 90%мышьяковистого ангидрида (Аs2О3), а нелетучий остаток должен быть не более 5,0 и 10,0%.Белый мышьяк упаковывают в железные барабаны с завальцованной крышкой (масса нетто до 100кг), помещаемые в деревянные бочки или фанерные барабаны. Пространство между внутренним барабаном и внешним (или бочкой) засыпают опилками или соломой.Образовавшийся мышьяковистый натрий вводить непосредственно в цикл не рекомендуется, так как это может привести к образованию неустойчивых промежуточных окситиомышьяковых солей с соотношением S : Аs в пределах 0,5 – 2,0, которые быстро разлагаются с образованием осадка сернистого мышьяка. При этом не только теряется мышьяк, но и засоряется насадка отложениями. Поэтому полученный содовый раствор белого мышьяка проходит операцию созревания, для чего его обрабатывают на отдельной установке содержащим сероводород коксовым газом.Затем через регенератор с раствором продувают воздух, в результате чего тиомышьяковистая соль натрия переходит в оксисульфомышьяковую соль натрия, т.е. мышьяк из трёхвалентного переходит в пятивалентный.Концентрацию мышьяка в растворе принимают в соответствии с содержанием сероводорода в поступающем газе.По стехиометрии отношение Аs2О3 : Н2S = 5,82, однако практически эту величину поддерживают около 15, так как для успешного ведения процесса и наличия в растворе на ряду с активной формой мышьяка малоактивных или неактивных его соединений необходим избыток мышьяка.Для тонкой очистки газа от Н2S (менее 2 г на 100 м газа), когда применяют две или три последовательные ступени, отношение Аs2О3 : Н2S поддерживают во второй ступени более 30. С увеличением избытка мышьяка в растворе коррозия аппаратуры замедляется.Удельный расход поглотительного раствора зависит от содержания Н2S в исходном газе и концентрации в растворе Аs2О3.Величину рН поглотительного раствора поддерживают в пределах 7,8 – 7,9; при пониженном рН уменьшается количество образующихся не регенерируемых соединений, но возрастает коррозия аппаратуры.Предварительная очистка газа и поступающего на регенерацию воздуха от масел, смол и пыли имеет важное значение для успешного ведения процесса.Для предотвращения конденсации из газа смолообразующих компонентов и нафталина раствор подогревают до 40 – 42° С.По некоторым данным, повышение температуры поглотительного раствора способствует реакции взаимодействия Н2S с окситиомышьяковым натрием.С повышением концентрации в растворе не регенерируемых соединений возрастает вязкость раствора и понижается его поглотительная способность. Предельное содержание балластных солей в растворе 300 – 350 г/л.Для вывода балластных солей из рабочего раствора часть его подвергают нейтрализации серной кислотой с целью обезвреживания сточных вод и использования содержащегося в этом растворе мышьяка. На нейтрализацию выводят насыщенный раствор поле скрубберов, так как оксисульфосоль более устойчивое соединение, чем сульфосоль.Выпавшие в осадок Аs2S3 и серу отделяют фильтрованием и растворяют в содовом растворе, поле чего возвращают в цикл.Полученный фильтрат содержит еще значительное количество мышьяка (до 0,05 г/л) в виде растворимого соединения Na2HAsO4, по этому его нельзя направлять в общие стоки.Фильтрат обезвреживают в нейтрализаторе 2–й ступени обработкой его раствора железного купороса и содой с тем, чтобы связать мышьяк в малорастворимые соли железа FeAsO3 и FeAsO4.В раствор поле нейтрализатора 2-й ступени фильтруют, после чего спускают в канализацию; шлам сбрасывают в отвал.В некоторых случаях фильтрат после нейтрализации 1-й ступени повторно не обрабатывают, а используют вместе с другими загрязненными водами для тушения кокса.Схема очистки коксового газа от сероводорода по мышьяково-содовому методу показана на рис. 2.2 .На очистку от сероводорода коксовый газ поступает предварительно освобождённый от аммиака и бензольных углеводородов и очищенный от следов масла в электрофильтре 5. Затем газ промывают содово – мышьяковым раствором в насадочном скруббере 2.Насыщенный сероводородом раствор из скруббера 2 черезгидрозатвор 3 перетекает в промежуточный сборник 4,откуда насосом 6 через подогреватель 7, в котором нагревается до 40 – 42° С, подаётся в напорно – распределительный бак 8.В некоторых случаях часть ( 20 – 25% ) поглотительного раствора, поступающего в напорно – распределительный бак, направляют вместе с регенерируемым раствором на орошение скруббера. Это делают для того, чтобы предотвратить выпадение в скруббере серы, так как часть абсорбционного раствором кислорода не успевает прореагировать в регенераторе и регенерация заканчивается в скруббере.Из напорно – распределительного бака раствор поступает в нижнюю часть регенератора 9, в котором регенерацию раствора осуществляют кислородом воздуха.Воздух в регенератор подают компрессором 18 через воздухосборник 11 и маслоотделитель 12. Для очистки воздуха от пыли перед компрессором устанавливают висциновый фильтр.Выделяющаяся в процессе регенерации сера флотируется воздухом на поверхность раствора и в виде пены отводится в пеносборник 13, где после разрушения пены сера поддерживается во взвешенном состоянии с помощью мешалки.Регенерируемый раствор из регенератора через регулятор уровня пены вновь поступает на орошение серного скруббера.Серная суспензия из пеносборника 13 направляется на вакуум – фильтр 14, откуда фильтрат через вакуум – сборник 26 стекает в барометрический сборник 27 и затем насосом 28 откачивается в сборник поглотительного раствора 4.Обезвоженная до 40 – 45% серная паста с поверхности вакуум – фильтра снимается ножом и поступает в бункер 15, откуда её загружают в плавильник 17.В плавильнике серная паста нагревается глухим ( через рубашки) и острым паром до 130 – 135°С. Для растворения выделяющего при нагревании влажной пасты сернистого мышьяка, который загрязняет серу, в автоклав добавляют некоторое количество ( 2 – 3 кг на 100 кг Н2S ) кальцинированной соды.Расплавленная сера из плавильника выжимается через приёмник серы 16 в аппарат Монтежю 19, откуда сера выжимается сжатым воздухом в сборник серы 23, установленный перед барабанным охладителем 24.На барабанном охладителе 24 сера охлаждается и снимается с поверхности барабана ножом в виде чешуек, которые ссыпаются в бункер - склад 25.Конденсат из плавильника отводят в отстойник 21, откуда после отстоя от шлама насосом 20 подают в пеносборник 13, а шлам сбрасывают в отвал.Поддержания конденсации балластных солей в поглотительном растворе не выше допустимой нормы часть раствора перед регенерации выводят из цикла и для выделения из него мышьяка вначале направляют в нейтрализатор 1-й ступени 36 для обработки серной кислотой.При этом образуются осадок сернистого мышьяка, который затем отделяют от раствора на вакуум – фильтре 37.Мышьяковая паста из вакуум – фильтра поступает в сборник 39, где растворяется в содовом растворе, после чего насосом 40 откачивается в пеносборник 13, т. е. пасту возвращают в цикл поглотительного раствора.Фильтрат после вакуум – фильтра через вакуум – сборник 38 поступает в нейтрализатор 2-й ступени 43 для обработки раствором соды и железного купороса с целью перевода оставшихся в фильтре мышьяковистых соединений в нерастворимые соли.После нейтрализатора 2-й ступени раствор пропускают через фильтрпресс 45 для отделения осадка. Фильтрат после фильтрпресса отводят в фенольную канализацию, а осадок сбрасывают в отвал.Для приготовления раствора соду из бункера 32 направляют в растворитель 33, откуда раствор насосом 31 перекачивают в сборник свежего раствора и затем насосом 29 в цикл.Свежий раствор мышьяка вводят в систему в виде тиомышьяковистой соли, получаемой в отдельном скруббере путем насыщения сероводородом раствора мышьяка при орошении им сероводородсодержащего газа.Барабан с белым мышьяком помещают в закрытый сосуд 1, где его открывают с помощью механического ножа. Мышьяк из барабана вымывается сильной струей воды в снабженный мешалкой и паровым подогревом растворитель 2, откуда раствор поступает в аппарат Монтежю 3, из которого сжатым воздухом пережимается в сборник 4 и затем в скруббер 6 через который пропускают неочищенный от сероводорода коксовый газ.Раствор после скруббера через гидрозатвор возвращается в сборник 4.Часть циркулирующего в системе раствора отводят в скруббер 7, в который подают воздух. Раствор после скруббера 7 поступает в промежуточный сборник рабочего поглотительного раствора.2.2 Описание аппарата для принятой схемы очисткиШирокое распространение в промышленности в качестве абсорберов получили колонны, заполненные насадкой — твердыми телами различной формы. В насадочной колонне насадка 1 укладывается на опорные решетки 2, имеющие отверстия или щели для прохождения газа и стока жидкости. Последняя с помощью распределителя 3 равномерно орошает насадочные тела и стекает вниз. По всей высоте слоя насадки равномерное распределение жидкости по сечению колонны обычно не достигается, что объясняется пристеночным эффектом большей плотностью укладки насадки в центральной части колонны, чем у ее стенок. Вследствие этого жидкость имеет тенденцию растекаться от центральной части колонны к ее стенкам. Поэтому для улучшения смачивания насадки в колоннах большого диаметра насадку иногда укладывают слоями (секциями) высотой 2—3 м и под каждой секцией, кроме нижней, устанавливают перераспределители жидкости 4.В насадочной колонне жидкость течет по элементу насадки главным образом в виде тонкой пленки, поэтому поверхностью контакта фаз является в основном смоченная поверхность насадки, и насадочные аппараты можно рассматривать как разновидность пленочных. Однако в последних пленочное течение жидкости происходит по всей высоте аппарата, а в насадочных абсорберах — только по высоте элемента насадки. При перетекании жидкости с одного элемента насадки на другой пленка жидкости разрушается и на нижележащем элементе образуется новая пленка. При этом часть жидкости проходит через расположенные ниже слои насадки в виде струек, капель и брызг. Часть поверхности насадки бывает смочена неподвижной (застойной) жидкостью.Основными характеристиками насадки являются ее удельная поверхность а (м2/м3) и свободный объем ε (м3/м3). Свободный объем для непористой насадки обычно определяют путем заполнения объема насадки водой. Отношение объема воды к объему, занимаемому насадкой, дает величину ε.Гидродинамические режимыНасадочные абсорберы могут работать в различных гидродинамических режимах. Первый режим -пленочный - наблюдается при небольших плотностях орошения и малых скоростях газа. Количество задерживаемой в насадке жидкости при этом режиме практически не зависит от скорости газа. Пленочный режим заканчивается в первой переходной точке, называемой точкой подписания.Второй режим - режим подвисания . При противотоке фаз вследствие увеличения сил трения газа о жидкость на поверхности соприкосновения фаз происходит торможение жидкости газовым потоком. В результате этого скорость течения жидкости уменьшается, а толщина ее пленки и количество удерживаемой в насадке жидкости увеличиваются. В режиме подписания с возрастанием скорости газа увеличивается смоченная поверхность насадки и соответственно — интенсивность процесса массопередачн. Причем в режиме подвисания спокойное течение пленки нарушается: появляются завихрения, брызги, т. е. создаются условия перехода к барботажу. Все это способствует увеличению интенсивности массообмена.Третий режим — режим эмульгирования — возникает в результате накопления жидкости в свободном объеме насадки. Накопление жидкости происходит до тех пор, пока сила трения между стекающей жидкостью и поднимающимся по колонне газом не уравновесит силу тяжести жидкости, находящейся в насадке. При этом наступает обращение, или инверсия, фаз (жидкость становится сплошной фазой, а газ — дисперсной). Образуется газо-жидкостная дисперсная система, по внешнему виду напоминающая барботажный слой (пену) или газожидкостную эмульсию. Режим эмульгирования начинается в самом узком сечении насадки, плотность засыпки которой, как указывалось, неравномерна по сечению колонны. Путем тщательного регулирования подачи газа режим эмульгирования может быть установлен по всей высоте насадки. Гидравлическое сопротивление колонны при этом резко возрастаетРежим эмульгирования соответствует максимальной эффективности насадочных колонн, прежде всего за счет увеличения поверхности контакта фаз, которая в этом случае определяется не только (и не столько) геометрической поверхностью насадки, а поверхностью пузырьков и струй газа в жидкости, заполняющей весь свободный объем насадки. Однако при работе колонны в таком режиме ее гидравлическое сопротивление относительно велико.В режимах подвисания и эмульгирования целесообразно работать, если повышение гидравлического сопротивления не имеет существенного значения (например, в процессах абсорбции, проводимых при повышенных давлениях).