Спосіб концентрування сірчаної кислоти

Реферат: Спосіб концентрування сірчаної кислоти включає нагрівання через стінку, що розділяє кислоту і теплоносій. Кислоту нагрівають до температури в межах від 100 до 323 °C, а над вільною поверхнею кислоти подають потік газу, інертного по відношенню до компонентів кислоти, зі швидкістю в межах від 0,001 до 0,008 м/с. UA 97392 U (54) СПОСІБ КОНЦЕНТРУВАННЯ СІРЧАНОЇ КИСЛОТИ UA 97392 U UA 97392 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до області виробництва та регенерації сірчаної кислоти. Відомий спосіб концентрування сірчаної кислоти, який полягає в її нагріванні при безпосередньому контактуванні з теплоносієм, що має температуру 800-900 °C і являє собою топочні гази, що утворюються при спалюванні природного газу або мазуту [Амелин А.Г. Производство серной кислоты. - М.: Химия, 1967. - С. 373-380]. При цьому теплоносій барботує через кислоту, нагріваючи її до температури кипіння, що призводить до випаровування води та концентрування кислоти. Недоліком даного способу є висока температура теплоносія, для забезпечення якої необхідно спалювати дефіцитні види палива, а також вона призводить до інтенсивного розпаду кислоти. Крім того, безпосередній контакт кислоти з топочними газами призводить до її забруднення. Відомий спосіб концентрування сірчаної кислоти, в якому кислота нагрівається через стінку, яка відокремлює її від теплоносія [Амелин А.Г. Производство серной кислоты. - М.: Химия, 1967. - С. 383-384]. Кислота в цьому випадку концентрується при температурі кипіння в закритій реторті, при цьому пар, який виникає, відводиться в дефлегматорну колону, в яку зверху подається кислота низької концентрації, яка взаємодіє з парами, що піднімаються вгору, і стікає в реторту. Надлишок кислоти відводиться з реторти. Недоліком цього способу, також, є висока температура теплоносія, необхідна для нагрівання кислоти до кипіння, яка призводить до прогоряння реторт. Крім того, цей спосіб вимагає більших витрати палива ніж попередній, має малу продуктивність. З відомих способів концентрування сірчаної кислоти найбільш близьким до заявленої корисної моделі, за досягуваним результатом, є вакуумний спосіб [Амелин A.Г. Производство серной кислоты. - М.: Химия, 1967. - С. 384-386]. Цей спосіб оснований на тому, що в вакуумі температура кипіння сірчаної кислоти значно знижується. При його реалізації вихідна 68 %-ва кислота нагрівається водяною парою через стінку, що розділяє теплоносій і кислоту. Пари, що виділяються з кислоти, відсмоктуються ежектором в холодильник, де вони охолоджуються і конденсуються. Процес протікає в дві стадії - спочатку створюють вакуум 75 мм рт. ст., а потім включається другий ежектор і залишковий тиск в апараті знижується до 7 мм рт. ст. Тривалість концентрування становить 12 годин. Такий спосіб забезпечує підвищення концентрації сірчаної кислоти з 68 % до 93 %. Недоліком даного способу є великі енерговитрати, пов'язані з необхідністю створювати вакуум, а також складність і відповідно висока вартість обладнання, що працює під вакуумом. Задачею корисної моделі є зниження енерговитрат, спрощення апаратурного оформлення процесу концентрування сірчаної кислоти. Поставлена задача вирішується тим, що в запропонованому способі зниження температури теплоносія, що використовується для нагріву кислоти, досягається протоком над вільною поверхнею кислоти інертного по відношенню до компонентів кислоти газу, наприклад, повітря. Запропонований спосіб здійснювали наступним чином. Попередньо збирали лабораторну установку, що представляє собою тригорлу скляну колбу 3 об'ємом 500 см , вміщену в колбонагрівачі. В центральне горло колби встановлювали термометр для вимірювання температури кислоти, одне з бічних горл з'єднували зі скляним холодильником, в інше вставляли трубку і з'єднували її через реометр, призначений для 3 вимірювання витрати повітря, з мікрокомпресором. В колбу заливали 300 см 60 %-вої сірчаної кислоти, включали мікрокомпресор і колбонагрівач. Повітря, яке подавалося мікрокомпресором, проходило через вільний простір над поверхнею кислоти і виходило з колби через холодильник. Кислоту нагрівали до заданої температури, яку підтримували постійною протягом всього досліду. Пари води, які випаровувалися з кислоти, разом з повітрям надходили в холодильник, конденсувались і вода стікала в збірну ємність. Температуру кислоти в дослідах змінювали від 100 °C до 323 °C, витрати повітря - від 0,5 дм/хв. до 3,8 дм/хв., що відповідало його умовній швидкості (витраті віднесені до площі перетину колби на рівні вільної поверхні кислоти) від 0,001 м/сдо 0,008 м/с. Були проведені досліди, в яких мікрокомпресор замінювали на водоструминний насос. В цьому випадку водоструминний насос підключали на виході з холодильника замість збірної ємності. В обох випадках тиск в колбі був близьким до атмосферного, трохи (1-3 мм вод. ст.) вище при використанні мікрокомпресору і нижче при використанні водоструминного насоса. Були проведені досліди, в яких трубка, що поєднана з мікрокомпресором, була заглиблена в кислоту, що забезпечувало барботаж повітря через кислоту. Особливістю процесу концентрування сірчаної кислоти з протоком повітря над вільною поверхнею кислоти є також те, що при нагріванні кислоти до температури, яка відповідає температурі кипіння вихідної кислоти (в даному випадку для 60 %-ї кислоти рівній 141,8 °C), 1 UA 97392 U 5 10 15 20 25 кислота закипає, потім, через деякий проміжок часу, величина якого залежить від заданої температури процесу, кипіння припиняється і концентрування відбувається в основному в умовах випаровування з поверхні рідкої фази. Якщо задана температура процесу нижче температури кипіння вихідної кислоти, то кипіння взагалі відсутнє. Таким чином, при даному способі концентрування, відпадає необхідність нагрівати кислоту до кипіння. При цьому деяке зниження продуктивності процесу може бути компенсоване збільшенням площі випаровування. Суть запропонованого способу пояснюється графіками, побудованими на даних, які були отримані при проведенні вищеописаних дослідів. Нa фіг. 1 представлені криві зміни концентрації кислоти в часі, отримані з протоком повітря зі швидкістю 0,0065 м/с і без протока, при однаковій температурі 142 °C (1 - зміна концентрації без протока повітря, 2 - зміна концентрації з протоком повітря, 3 - температурна крива). Зіставлення цих кривих показує різке збільшення інтенсивності процесу та концентрації кислоти при наявності протоку повітря. На фіг. 2 наведені криві зміни концентрації кислоти в часі при різних температурах нагрівання кислоти (1 - зміна концентрації сірчаної кислоти при 100 °C, 2 зміна концентрації сірчаної кислоти при 142 °C, 3 - зміна концентрації сірчаної кислоти при 200 °C, 4 - зміна концентрації сірчаної кислоти при кип’ятінні, 1.1, 2.1, 3.1, 4.1 - відповідні температурні криві) і на фіг. 3 - при різних швидкостях повітря (1 - 0,001 м/с, 2 - 0,0065 м/с, 3 0,008 м/с, 4 - температурна крива). З наведених графіків випливає, що зі збільшенням температури кислоти і швидкості повітря інтенсивність процесу концентрування і концентрація кислоти зростають. На фіг. 4 наведені криві зміни концентрації кислоти в часі (1 - при барботуванні повітря крізь кислоту, 2 - при подачі повітря над поверхнею кислоти, 3 температурна крива), отримані з протоком повітря над поверхнею кислоти і з барбатажем повітря через кислоту. У другому випадку кислота має трохи більшу концентрацію, що пов'язано з перемішуванням кислоти і збільшенням поверхні випаровування. У таблиці наведені значення технологічних параметрів процесу концентрування за описаним способом в порівнянні з найближчим аналогом: Таблиця Технологічні параметри процесу концентрування сірчаної кислоти. Найменування параметрів Температура кислоти, °C Відносна швидкість повітря, м/с Концентрація кислоти, % (мас): - вихідної - через 6 годин концентрування - через 12 годин концентрування 30 35 40 По заявленому способу За найближчим По заданих Граничні значення аналогом межах 200 100 323 142 142 0,0065 0,0065 0,0065 0,001 0,008 68 93 60 95 60 67 60 97 60 71 60 83,5 Вибір граничних значень температури кислоти і швидкості повітря над її поверхнею, наведених у таблиці, обґрунтовується такими міркуваннями. Зменшення температури нижче 100 °C небажано, оскільки процес стає малоефективним, збільшення вище 323 °C ускладнене в зв'язку з наближенням до температури кипіння азеотропної суміші моногідрату Н 2SO4 і води (98,3 %). При швидкості повітря над поверхнею кислоти менш ніж 0,001 м/с кислота має низьку концентрацію, а збільшення швидкості повітря вище 0,008 м/с має незначний вплив на збільшення концентрації кислоти. Таким чином, пропонований спосіб концентрування сірчаної кислоти дозволяє знизити температуру процесу без застосування вакууму, а відповідно зменшити енерговитрати, спростити обладнання для його проведення, використовувати низькотемпературні теплоносії, наприклад, водяну пару або електронагрів, що в свою чергу дозволяє відмовитися від таких дефіцитних видів палива, як природний газ або нафтопродукти. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 45 1. Спосіб концентрування сірчаної кислоти, що включає нагрівання через стінку, що розділяє кислоту і теплоносій, який відрізняється тим, що кислоту нагрівають до температури в межах від 100 до 323 °C, а над вільною поверхнею кислоти подають потік газу, інертного по відношенню до компонентів кислоти, зі швидкістю в межах від 0,001 до 0,008 м/с. 2 UA 97392 U 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що як інертний газ використовують повітря. 3. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що інертний газ барботує через кислоту. 3 UA 97392 U Комп’ютерна верстка А. Крулевський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4