Очистка обпікового (пічного) газу

Газ необхідно очистити від:

пилу(до 300 г/м³) – забруднює апаратуру і механічно забиває пори каталізатора;

сульфатокислотного туману – блокує рух газових потоків;

As₂O₃ і SeO₂ – каталітичні отрути для V₂O₅ – каталізатора, одночасно цінна сировина для напівпровідникової промисловості.

Загальна очистка включає в себе дві стадії: механічна (груба) і електрична (тонка) очистка. Механічна очистка здійснюється пропусканням газу через центробіжні пилепоглиначі (рис.7.6.) і волокнисті фільтри, електрична - в електрофільтрах (рис.5.12).

Центробіжні поглиначі знижують рівень пилу до 10-20 г/м³, електроочистка зменшує вміст пилу і туману в газі до 0,05-0,1 г/м³.

Спеціальна очистка передбачає видалення залишків пилу і туману, а головне, сполук арсену і селену, які при цьому утилізуються для подальшого використання в електротехніці.

Рис.7.6. Центробіжний пилепоглинач(циклон-апарат).

Пил забиває пори каталізатора, знижуючи його активність. Пари води при охолодженні утворюють з оксидом SO₃ сульфатну кислоту, утворюючи дрібні крапельки в туману, а арсен(ІІІ) оксид та селен(IV) оксид отруюють каталізатор. Тому обпіковий газ, отриманний із піриту проходить додаткову очистку, схема якої представлена на рис. 7.7.

Рис. 7.7. Схема спеціальної очистки обпікового газу: 1,2 – промивні башти; 3,5 – мокрі електрофільтри; 4 – зволожуючі башти; 6- сушильна башта; 7 – фільтр із азбестом; 8 – орошувальні холодильники; 9 – збірник;

10 – концентраційні насоси; 11 – турбогазодувка.

Для переведення у твердий стан парів арсен(ІІІ) оксиду (Т_плав=315⁰С) і селен(IV) оксиду (Т_плав=340⁰С), газ, що має температуру 350-400⁰С охолоджують водою, яка перетворюється в промивних баштах 1 і 2 в сульфатну кислоту (відповідно 70% та 30%), що забруднена сполуками арсену і селену.

Мокрий сотовий електрофільтр 3 служить для уловлення туману сульфатної кислоти. Процес видалення туману сульфатної кислоти завершується у зволожувальній башті 4, що орошується дуже розбавленою сульфатною кислотою.

Перед контактним апаратом газ осушується 98% сульфатною кислотою в сушильній башті 6. Бризки кислоти уловлюються в газовому фільтрі 7 з азбестом. Із фільтра газ поступає до турбогазодувки 11, що подає його на контактування.

Новим прогресивним методом очистки обпікового газу є адсорбція домішок твердими поглиначами, наприклад, силікагелем або цеолітами. При такій сухій очистці обпіковий газ має оптимальну для контактування температуру 400⁰С. Відпадає потреба в процедурі охолодження, а потім нагрівання.

ІІ стадія: каталітичне окиснення сульфур(IV) оксиду надлишком кисню.

2SO₂ + O₂ 2SO₃ ΔН = -96 КДж/моль

Реакція є гетерогенно-каталітичною, зворотною, екзотермічною.

Каталізатори, що використовуються сьогодні:

БАВ: V₂O₅(7%) + K₂SO₄ + ВаSO₄ +Al₂(SO₄)₃ + SiO₂(кремнезем)

Каталізатор Активатор Носій

Без каталізатора реакція окиснення протікає як реакція 3-го порядку з Е акт = 280 КДж/моль, в присутності каталізатора БАВ її порядок знижується до 1,8, а Е акт =92 КДж/моль.

СВД: (сульфато-ванадато-диатомовий):

V₂O₅(7%) + K₂S₂O₇ + діатоміт + гіпс

Каталізатор Активатор Носій

У даному разі має місце основне протиріччя зворотних екзотермічних реакцій, суть якого полягає в наступному: у відповідності до принципу Ле Шател’є для збільшення виходу кінцевого продукту η температуру Т необхідно знижувати, а для підвищення швидкості реакції υ у відповідності до рівняння Арреніуса необхідно, щоб температура зростала.

В хімічній технології це протиріччя завжди розв’язується наступним чином: температуру процесу збільшують (як правило до температури запалення каталізатора). Це приводить до експоненційного зростання швидкості реакції, вихід кінцевого продукту суттєво падає, проте за рахунок впровадження каскадних або циклічних технологічних схем не відбувається втрати сировини, а загальна кількість кінцевого продукта одержується за рахунок колосальної швидкості процесу.

Тому в реальних умовах процес відбувається за температури 400-440⁰С.

Тиск за принципом Ле Шател’є необхідно збільшувати, проте оскільки склад реакційної суміші містить 4/5 баластної речовини, витрати на проведення процесу в режимі підвищеного тиску не рентабельні (склад суміші: O₂ – 11%, SO₂ – 7%, N₂ -82%).

Реактори або контактні апарати для каталітичного окиснення сульфур(IV) оксиду за своєю конструкцією поділяються на апарати з нерухомим шаром каталізатора (поличні або фільтруючі) в яких контактна маса розміщенана 4-5 шарах (рис. 7.8.) та апарати киплячого шару. Охолоджуються апарати за допомогою теплообмінників.

Подвійне контактування. Найважливішою задачею удосконалення сульфатнокислотного виробництва є збільшення ступеня контактування з метою зниження викидів SO₂ в атмосферу. В звичайному режимі ступінь контактування становить 0,98; підвищувати його за рахунок збільшення шарів каталізатора недоцільно. За цих умов викиди SO₂ досягають 35-60 тонн на добу навіть на сучасних установках. Крім значних втрат продукції, це викликає необхідність у складних та дорогих очисних спорудах для нейтралізації газів, що викидаються в атмосферу.

Для збільшення кінцевого ступеня контактування застосовують метод подвійного контактування. На І стадії ступінь перетворення не перевищує 0,90-0,92, після цього з суміші вилучають SO₃і проводять ІІ стадію зі ступенем перетворення 0,95.

Метод подвійного контактування дозволяє підвищити ступінь контактування до 0,995.

Рис.7.8. Схема контактного вузла з чотирьохшаровим контактним апаратом з проміжними теплообмінниками: 1 - зовнішній кожухотрубний теплообмінник (а - кожух, б - трубні гратки, в – труби); 2-4 – проміжні теплообмінники; 5-8 – газові засуви.