RU2651253C1 - Способ и установка для концентрирования кислот - Google Patents
Способ и установка для концентрирования кислот Download PDFInfo
- Publication number
- RU2651253C1 RU2651253C1 RU2016141084A RU2016141084A RU2651253C1 RU 2651253 C1 RU2651253 C1 RU 2651253C1 RU 2016141084 A RU2016141084 A RU 2016141084A RU 2016141084 A RU2016141084 A RU 2016141084A RU 2651253 C1 RU2651253 C1 RU 2651253C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- acid
- concentration
- evaporator
- heating
- liquid phase
- Prior art date
Links
- 239000002253 acid Substances 0.000 title claims abstract description 174
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 85
- 150000007513 acids Chemical class 0.000 title claims abstract description 34
- 238000009434 installation Methods 0.000 title claims abstract description 32
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims abstract description 70
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 claims abstract description 40
- 239000012808 vapor phase Substances 0.000 claims abstract description 37
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 32
- 230000005670 electromagnetic radiation Effects 0.000 claims abstract description 18
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 claims abstract description 14
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims abstract description 3
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 claims abstract 4
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 27
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims description 20
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 claims description 12
- 230000002262 irrigation Effects 0.000 claims description 11
- 238000003973 irrigation Methods 0.000 claims description 11
- 238000013021 overheating Methods 0.000 claims description 6
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 claims description 5
- 238000007599 discharging Methods 0.000 claims description 2
- 238000011010 flushing procedure Methods 0.000 claims description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 abstract description 37
- 239000012141 concentrate Substances 0.000 abstract description 4
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 239000004035 construction material Substances 0.000 abstract 1
- QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N Sulfuric acid Chemical compound OS(O)(=O)=O QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 55
- GRYLNZFGIOXLOG-UHFFFAOYSA-N Nitric acid Chemical compound O[N+]([O-])=O GRYLNZFGIOXLOG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 25
- 229910017604 nitric acid Inorganic materials 0.000 description 25
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 22
- MWUXSHHQAYIFBG-UHFFFAOYSA-N nitrogen oxide Inorganic materials O=[N] MWUXSHHQAYIFBG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 21
- 239000003546 flue gas Substances 0.000 description 17
- 238000009835 boiling Methods 0.000 description 16
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 10
- 238000006396 nitration reaction Methods 0.000 description 9
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 9
- 239000000463 material Substances 0.000 description 8
- 230000000802 nitrating effect Effects 0.000 description 8
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 7
- 239000000295 fuel oil Substances 0.000 description 6
- 150000007522 mineralic acids Chemical class 0.000 description 6
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 6
- -1 t oluene Chemical compound 0.000 description 6
- 239000002826 coolant Substances 0.000 description 5
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 5
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 5
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 5
- 229920001220 nitrocellulos Polymers 0.000 description 5
- 230000008929 regeneration Effects 0.000 description 5
- 238000011069 regeneration method Methods 0.000 description 5
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 4
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 4
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 4
- UHOVQNZJYSORNB-UHFFFAOYSA-N Benzene Chemical compound C1=CC=CC=C1 UHOVQNZJYSORNB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N Carbon monoxide Chemical compound [O+]#[C-] UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000009471 action Effects 0.000 description 3
- 238000013461 design Methods 0.000 description 3
- 230000005672 electromagnetic field Effects 0.000 description 3
- 229920002313 fluoropolymer Polymers 0.000 description 3
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 3
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 3
- 230000008520 organization Effects 0.000 description 3
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 3
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 3
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 3
- 229910052715 tantalum Inorganic materials 0.000 description 3
- FJWGYAHXMCUOOM-QHOUIDNNSA-N [(2s,3r,4s,5r,6r)-2-[(2r,3r,4s,5r,6s)-4,5-dinitrooxy-2-(nitrooxymethyl)-6-[(2r,3r,4s,5r,6s)-4,5,6-trinitrooxy-2-(nitrooxymethyl)oxan-3-yl]oxyoxan-3-yl]oxy-3,5-dinitrooxy-6-(nitrooxymethyl)oxan-4-yl] nitrate Chemical compound O([C@@H]1O[C@@H]([C@H]([C@H](O[N+]([O-])=O)[C@H]1O[N+]([O-])=O)O[C@H]1[C@@H]([C@@H](O[N+]([O-])=O)[C@H](O[N+]([O-])=O)[C@@H](CO[N+]([O-])=O)O1)O[N+]([O-])=O)CO[N+](=O)[O-])[C@@H]1[C@@H](CO[N+]([O-])=O)O[C@@H](O[N+]([O-])=O)[C@H](O[N+]([O-])=O)[C@H]1O[N+]([O-])=O FJWGYAHXMCUOOM-QHOUIDNNSA-N 0.000 description 2
- 230000002378 acidificating effect Effects 0.000 description 2
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- MVPPADPHJFYWMZ-UHFFFAOYSA-N chlorobenzene Chemical compound ClC1=CC=CC=C1 MVPPADPHJFYWMZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 2
- 239000003337 fertilizer Substances 0.000 description 2
- 239000012467 final product Substances 0.000 description 2
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000000047 product Substances 0.000 description 2
- 239000007921 spray Substances 0.000 description 2
- GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N tantalum atom Chemical compound [Ta] GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000005406 washing Methods 0.000 description 2
- CZGCEKJOLUNIFY-UHFFFAOYSA-N 4-Chloronitrobenzene Chemical class [O-][N+](=O)C1=CC=C(Cl)C=C1 CZGCEKJOLUNIFY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- ZPTVNYMJQHSSEA-UHFFFAOYSA-N 4-nitrotoluene Chemical class CC1=CC=C([N+]([O-])=O)C=C1 ZPTVNYMJQHSSEA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229920006359 Fluoroplast Polymers 0.000 description 1
- 238000012369 In process control Methods 0.000 description 1
- 239000000020 Nitrocellulose Substances 0.000 description 1
- NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-N Phosphoric acid Chemical compound OP(O)(O)=O NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000004698 Polyethylene Substances 0.000 description 1
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004809 Teflon Substances 0.000 description 1
- 229920006362 Teflon® Polymers 0.000 description 1
- 239000003570 air Substances 0.000 description 1
- 238000004887 air purification Methods 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 150000001491 aromatic compounds Chemical class 0.000 description 1
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 description 1
- 239000011449 brick Substances 0.000 description 1
- 230000005587 bubbling Effects 0.000 description 1
- 244000309464 bull Species 0.000 description 1
- 229920002678 cellulose Polymers 0.000 description 1
- 239000001913 cellulose Substances 0.000 description 1
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 1
- 239000011195 cermet Substances 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 239000007795 chemical reaction product Substances 0.000 description 1
- 230000003749 cleanliness Effects 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000018109 developmental process Effects 0.000 description 1
- 150000004816 dichlorobenzenes Chemical class 0.000 description 1
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 description 1
- VMMLSJNPNVTYMN-UHFFFAOYSA-N dinitromethylbenzene Chemical class [O-][N+](=O)C([N+]([O-])=O)C1=CC=CC=C1 VMMLSJNPNVTYMN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 239000003814 drug Substances 0.000 description 1
- 239000012717 electrostatic precipitator Substances 0.000 description 1
- 230000008030 elimination Effects 0.000 description 1
- 238000003379 elimination reaction Methods 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 230000003628 erosive effect Effects 0.000 description 1
- 230000032050 esterification Effects 0.000 description 1
- 238000005886 esterification reaction Methods 0.000 description 1
- 238000006266 etherification reaction Methods 0.000 description 1
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 1
- 239000002737 fuel gas Substances 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 1
- 238000010965 in-process control Methods 0.000 description 1
- 206010022000 influenza Diseases 0.000 description 1
- 230000005865 ionizing radiation Effects 0.000 description 1
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 1
- 239000003595 mist Substances 0.000 description 1
- 150000002828 nitro derivatives Chemical class 0.000 description 1
- LQNUZADURLCDLV-UHFFFAOYSA-N nitrobenzene Chemical compound [O-][N+](=O)C1=CC=CC=C1 LQNUZADURLCDLV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229940079938 nitrocellulose Drugs 0.000 description 1
- 239000003921 oil Substances 0.000 description 1
- 238000005192 partition Methods 0.000 description 1
- 230000000149 penetrating effect Effects 0.000 description 1
- 235000011007 phosphoric acid Nutrition 0.000 description 1
- 150000003016 phosphoric acids Chemical class 0.000 description 1
- 229920000573 polyethylene Polymers 0.000 description 1
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 1
- 229910052573 porcelain Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000008092 positive effect Effects 0.000 description 1
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 1
- 230000003449 preventive effect Effects 0.000 description 1
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 1
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 1
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 description 1
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 1
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 1
- 238000005728 strengthening Methods 0.000 description 1
- 231100000331 toxic Toxicity 0.000 description 1
- 230000002588 toxic effect Effects 0.000 description 1
- 239000002341 toxic gas Substances 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
- 230000008016 vaporization Effects 0.000 description 1
- 230000003313 weakening effect Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01D—SEPARATION
- B01D1/00—Evaporating
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
- B01J19/08—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor
- B01J19/12—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor employing electromagnetic waves
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B17/00—Sulfur; Compounds thereof
- C01B17/69—Sulfur trioxide; Sulfuric acid
- C01B17/88—Concentration of sulfuric acid
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B21/00—Nitrogen; Compounds thereof
- C01B21/20—Nitrogen oxides; Oxyacids of nitrogen; Salts thereof
- C01B21/38—Nitric acid
- C01B21/44—Concentration
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P20/00—Technologies relating to chemical industry
- Y02P20/10—Process efficiency
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Toxicology (AREA)
- Vaporization, Distillation, Condensation, Sublimation, And Cold Traps (AREA)
Abstract
Изобретение может быть использовано в химической промышленности. Для концентрирования кислоты осуществляют ее нагрев непрерывным или импульсным воздействием электромагнитного излучения СВЧ-диапазона, испаряя при этом воду. Нагрев кислоты проводят в две или более ступеней с постепенным снижением давления на каждой последующей ступени. Установка для концентрирования кислоты включает выпарной аппарат 2 с входом 1 для кислот, подаваемых на концентрирование, выходом 4, 7 для паровой фазы, выходом 8 для жидкой фазы. Установка также включает теплообменники-конденсаторы 3, 6 для паровых фаз, трубопроводы для подачи исходных потоков кислоты, для транспортировки, распределения и отвода паровых и жидких фаз, нагревательные, охлаждающие и регулирующие давление устройства. Выпарной аппарат представляет собой емкость, разделенную по меньшей мере на две секции, последовательно соединенные между собой. Каждая из секций снабжена выходом для паровой фазы, соединенным с теплообменником-конденсатором 3, 6. На наружной поверхности выпарного аппарата в качестве нагревательного устройства установлены магнетроны 5. В качестве регулирующих давление устройств используются вакуумные насосы. Разрежение в каждой последующей секции выпарного аппарата выше разрежения в предыдущей секции. Изобретение позволяет повысить эффективность концентрирования кислот, снизить энергоемкость, температуру и продолжительность процесса, упростить аппаратурное оформление, отказаться от дорогостоящих конструкционных материалов, повысить технологическую безопасность процесса, автоматизировать процесс, организовать возможность мгновенной аварийной остановки. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 6 ил., 1 табл.
Description
Изобретение относится к области концентрирования неорганических кислот и может быть использовано в любых областях химической промышленности, в том числе для концентрирования слабых или разбавленных серной, азотной, фосфорной кислот, для выведения из процессов нитрования при получении нитросоединений отработанных смесей нитрующих кислот, прежде всего смесей серной и азотной кислоты, их регенерации после фазы этерификации целлюлозы и получения нитратов целлюлозы или после фазы нитрования ароматических соединений (например, бензола, толуола, хлорбензола, дихлорбензолов, мононитробензола, мононитрохлорбензолов, мононитротолуолов, динитротолуолов и т.д.), а также для производства жидких и твердых комплексных удобрений. Настоящее изобретение также относится к установке для концентрирования неорганических кислот с возможностью их последующего разделения на отдельные виды кислот.
Техническая суть, например, концентрирования кислоты заключается в удалении из нее части воды нагреванием. Известны различные способы концентрирования кислот [1, 2].
Известен способ концентрирования серной кислоты с применением трехкамерного барботажного концентратора [3, стр. 482-491]. В этом аппарате концентрирование серной кислоты осуществляется путем барботажа горячих газов через упариваемую кислоту и дробление кислоты на капли под действием больших скоростей потока топочных газов. Топочный газ для концентрирования используется с температурой до 800-900°С. Движение топочного газа и концентрируемой кислоты в аппарате осуществляется в противотоке.
Топочные газы образуются в топке, куда поступают мазут или газ и воздух, нагнетаемый вентилятором. Топка представляет собой стальной цилиндр, футерованный огнеупорным кирпичом. Горячие газы из топки поступают в барботажный концентратор, а оттуда в электрофильтр, где улавливаются брызги и туман серной кислоты.
Расходные коэффициенты на 1 т H2SO4 при концентрировании 75%-ной H2SO4 составляют около 56 кг мазута, 12,5 кВт⋅ч электрической энергии, 10 м3 воды, 25 кг пара и около 1500 м3 воздуха.
Основными недостатками применения данного способа являются: сложность аппаратурного оформления процесса, высокие расходные коэффициенты побочных энергоносителей для нагрева топочных газов, высокая температура процесса (800-900°C), низкий К.П.Д. теплообмена между газом и кислотой.
Кроме барботажных концентраторов в промышленности также используются капельные концентраторы [3, стр. 510-516], представляющие собой трубу Вентури, в которой потоком горячего газа кислота дробится, распыляется на мельчайшие капли с очень большой поверхностью. При этом происходит интенсивное взаимодействие горячих газов с каплями кислоты и удаление паров воды.
Также известен способ концентрирования серной кислоты в колонне (патент РФ №2016842 от 18.06.1991, C01B 17/88, опубл. 30.07.1994), который заключается в 3-4 циклах контактирования кислоты с горячими топочными газами в режиме противотока. Последующим выпариванием газожидкостную смесь разделяют на жидкостный и газовый (дисперсный) потоки. В результате при таком способе концентрирования в колонне предотвращается образование тумана серной кислоты в отходящих газах и снижается содержание кислотных выбросов в них. Однако концентрирование кислоты данным способом является недостаточно эффективным, поскольку требуется не менее трех циклов контактирования кислоты с горячими топочными газами, что снижает общую экономичность и безопасность производства.
Основным недостатком нагрева концентрируемой кислоты горячим потоком топочных газов является очень высокая температура процесса, которая наряду с эрозионным воздействием агрессивной кислотной среды вызывает снижение прочности и коррозионной стойкости оборудования, его достаточно быстрое разрушение. В результате материал футеровки аппаратов теряет требуемую при протекании кислотной среды чистоту рабочей поверхности, быстро разрушается, что обуславливает ненадежность работы данных аппаратов.
На сегодняшний день наиболее эффективным способом концентрирования кислот является способ с применением концентраторов вихревого типа, в которых удаление (испарение) воды из концентрируемой кислоты осуществляется при интенсивном ее взаимодействии с вихревым потоком горячих топочных газов [3, стр. 522-529]. При больших скоростях газа, движущегося в вихревом потоке, струи кислоты диспергируют до брызг и создают активную среду, в которой идет процесс выпаривания. В этом способе, как и в вышеперечисленных, вихревой поток газа также имеет высокую температуру (900-950°C) для обеспечения лучшей теплопередачи от газов к кислоте. Для обеспечения коррозионной стойкости оборудования, усложненной действием очень высоких температур, коллективом авторов в составе С.Г. Богатырева, Л.В. Забелина и А.Ф. Махоткина [4] была предложена вихревая ферросилидовая колонна (ВФК). Ферросилид, из которого изготовлена колонна, является коррозионно-стойким в среде горячей кислоты. Однако, учитывая свойства ферросилида (его очень высокую хрупкость), материалоемкость ВФК (40 тонн), а также высокую стоимость ферросилида, можно отметить следующие недостатки данного способа концентрирования кислот - ненадежность (слабые прочностные характеристики) установки и огромные капитальные затраты на ее создание.
Из патентной литературы также известны способ и установка для концентрирования отработанной серной кислоты из процессов нитрования (патент РФ 2404917 от 20.06.2007, C1B 17/94, опубл. 27.11.2010, бюл. №33, патентообладатель - немецкая фирма «Де Диетрих Процесс Системз ГмбХ»), согласно которым серную кислоту концентрируют в одну или более стадий выпариванием при пониженном давлении, причем для наружного нагревания испарителей первой и второй отпарных колонн используют пар под давлением от 6 до 40 бар (а), предпочтительно перегретый насыщенный пар при 15-17 бар (а), или масляный теплоноситель, а в качестве испарителей первой и/или второй отпарных колонн используют горизонтальные выпарные аппараты с танталовыми греющими трубами. Следует отметить ограниченность использования данного способа, поскольку тантал может применяться для концентрирования отработанной кислоты из процесса нитрования только до температуры кипения, не превышающей 208°C, поэтому способ применяется при давлении, не превышающем атмосферного, либо при пониженном давлении. Основными недостатками описанного изобретения являются низкий К.П.Д. нагрева кислоты через стенки аппарата; дополнительные затраты на нагрев теплоносителя и очень высокая стоимость установки концентрирования за счет использования дорогостоящего конструкционного материала, используемого в выпарном аппарате - тантала. Предложенный способ концентрирования кислоты является малоэффективным и труднореализуемым из-за огромных капитальных затрат на создание установки и высоких эксплуатационных расходов на ее обслуживание.
Таким образом, проведенный анализ патентной и технической литературы показывает, что, несмотря на различные подходы к концентрированию кислот, абсолютно все способы их концентрирования основываются на двух основных традиционных способах нагрева кислоты:
1. кондуктивном нагреве за счет теплообмена теплопроводностью, т.е. нагреве кислоты через стенку аппарата;
2. конвективном нагреве горячим потоком теплоносителя, т.е. путем непосредственного контакта горячих газов с концентрируемой кислотой.
Однако данные способы концентрирования кислот имеют целый ряд существенных недостатков.
Во-первых, достаточно низкий К.П.Д. теплообмена при нагреве кислоты как путем теплопередачи через стенку аппарата, так и при конвективном нагреве топочными газами.
Во-вторых, высокая энергозатратность способов, поскольку для нагрева кислоты предварительно необходимо нагревать либо теплоноситель для передачи тепла кислоте через контактную стенку, либо топочные газы.
В-третьих, высокая потенциальная опасность способов, в которых для нагрева кислоты используются горячие топочные газы с температурой свыше 800°C.
В-четвертых, высокая дороговизна способов, поскольку для их реализации в виде установок необходимо использовать дорогостоящие конструкционные материалы, одновременно выдерживающие действие кислот и очень высоких температур (порядка 1000°C).
В-пятых, длительность способов концентрирования за счет необходимости предварительного нагрева теплоносителя или топочных газов.
В-шестых, сложность и дороговизна аппаратурного оформления способов концентрирования, поскольку требуется дополнительное оборудование для обеспечения нагрева кислот.
В-седьмых, невозможность мгновенной аварийной остановки из-за инерционности процесса нагрева вышеописанными способами.
Следует отметить, что установки концентрирования с внешним обогревом кислоты ввиду их очень низкой эффективности и высокой стоимости в России не применяются [4].
Целью настоящего изобретения является усовершенствование способа и создание установки для концентрирования кислот, при котором устраняются вышеуказанные недостатки кондуктивного и конвективного нагрева кислоты.
Техническим результатом изобретения является разработка универсального способа и установки для концентрирования кислоты, позволяющих повысить эффективность концентрирования, снизить энергоемкость процесса, сократить общее технологическое время процесса, упростить и удешевить технологию и аппаратурное оформление, отказаться от очень высоких температур (более 800°С) и дорогостоящих конструкционных материалов, повысить технологическую безопасность процесса, автоматизировать процесс и организовать возможность мгновенной аварийной остановки.
Указанная цель изобретения и его технический результат достигаются с помощью предлагаемых способа и установки для концентрирования кислоты.
Способ концентрирования кислоты включает в себя ее нагрев непрерывным или импульсным воздействием электромагнитного излучения СВЧ-диапазона и испарение жидкой фазы, причем нагрев кислоты осуществляется в две или более ступеней при постепенном снижении давления на каждой последующей ступени.
Установка для осуществления способа концентрирования кислоты (Фиг. 1) включает в себя выпарной аппарат 2 с входом 1 для кислот, подаваемых на концентрирование, выходом 4, 7 для паровой фазы, выходом 8 для жидкой фазы; теплообменники-конденсаторы 3, 6 для паровых фаз, получаемых с выпарного аппарата; а также необязательно оросительную колонну 9 и/или 10 для промывки отходящих газов (Фиг. 4); трубопроводы для подачи исходных потоков кислоты, для транспортировки, распределения и отвода паровых и жидких фаз, получаемых в качестве промежуточных и конечных продуктов, и отводимых газов, и нагревательные, охлаждающие и регулирующие давление устройства, причем выпарной аппарат представляет собой емкость, разделенную, по меньшей мере, на две секции, последовательно соединенные между собой (Фиг. 2), каждая из которых снабжена выходом 4, 7 для паровой фазы, соединенным с соответствующим теплообменником-конденсатором 3, 6, на наружной поверхности выпарного аппарата в качестве нагревательного устройства установлены магнетроны 5, а в качестве регулирующих давление устройств используются вакуумные насосы, причем разряжение в каждой последующей секции выпарного аппарата выше разряжения предыдущей секции, а уровень жидкой фазы в последней секции аппарата определяется высотой установки патрубка выхода 8 жидкой фазы, т.е. сконцентрированной кислоты из аппарата.
Установка может дополнительно содержать два и более параллельно установленных выпарных аппарата (Фиг. 3) для подачи кислоты на концентрирование.
Выпарной аппарат на входе кислоты, подаваемой на концентрирование, и на выходе жидкой фазы может иметь гидрозатворы.
При концентрировании смеси кислот для их разделения кислота с меньшей температурой кипения выходит с паровой фазой, поступает в теплообменник-конденсатор и далее в виде жидкой фазы поступает на вход в аналогичный выпарной аппарат на концентрирование (Фиг. 4). При концентрировании азотной кислоты на вход 1 в первую секцию выпарного аппарата 2 наряду с ней подается горячая серная кислота с концентрацией не менее 89% масс, причем азотная кислота из каждой секции выпарного аппарата выходит в виде паровой фазы через выход для отвода паровых фаз и направляется в соответствующий теплообменник-конденсатор, далее в виде жидкой фазы необязательно подается в оросительную колонну 9 и/или 10 для промывки отходящих с теплообменника-конденсатора газов и улова оксидов азота, откуда направляется на дальнейшее концентрирование, либо используется в виде конечного продукта по назначению, а серная кислота, удерживающая воду, из выпарного аппарата через выход 8 направляется на концентрирование в следующий выпарной аппарат, далее сконцентрированная горячая серная кислота с концентрацией не менее 89% масс. может направляться на вход в выпарной аппарат на концентрирование азотной кислоты или использоваться по назначению (Фиг. 5).
Теплообменники-конденсаторы могут быть расположены в вертикальной плоскости с входом паровой фазы в верхней части и выходом жидкой фазы в нижней части. Кроме того, теплообменники-конденсаторы на выходе жидкой фазы могут иметь гидрозатворы.
Для исключения локального перегрева по объему нагреваемой кислоты выпарной аппарат может содержать технологические насадки для рассредоточения СВЧ-излучения (Фиг. 6).
Электромагнитное излучение принято делить по частотным диапазонам. Волны с длиной 1 мм < λ < 1 м (частотой 300 < γ < 300000 МГц) принято называть микроволнами или волнами сверхвысоких частот (СВЧ).
Положительный эффект настоящего изобретения реализуется за счет нагрева кислоты непрерывным или импульсным воздействием излучения электромагнитных микроволн, которые вырабатываются магнетронами, установленными в качестве нагревательных устройств на наружной поверхности выпарного аппарата установки концентрирования кислоты, причем нагрев кислоты осуществляется в две или более ступеней с постепенным снижением давления на каждой последующей ступени.
Излучение СВЧ-диапазона (микроволновое излучение), как вид электромагнитного излучения, представляет собой неионизирующее излучение, которое вызывает движение молекул за счет перемещения ионов и вращения диполей вещества в электромагнитном поле, но не приводит к изменению в структуре молекул.
Для применения в промышленности, науке и медицине Федеральной комиссией по связи (АСС) установлены четыре частоты: 915±10 МГц, 2450±50 МГц, 5800±75 МГц, 22125±125 МГц, которые соответствуют Международным правилам по радиосвязи, принятым в 1959 г. в Женеве.
Низкая частота 915 МГц имеет определенные технические затраты, которые лишь в определенных случаях оправдывают свое применение [5].
Наиболее широкое распространение во всем мире получили экономичные СВЧ-генераторы, имеющие частоту 2450±50 МГц.
В отличие от традиционных (кондуктивного и конвективного) способов нагрева кислоты при воздействии на нее электромагнитным СВЧ-излучением можно добиться более интенсивного нарастания температуры при большей равномерности нагрева и безынерционности ее регулирования. Трансформация электромагнитной энергии в тепловую происходит за счет возбуждения СВЧ-полем колебаний молекул в растворе кислоты, что значительно интенсифицирует энергообмен, исключая теплопередачу через стенку и объем кислоты, обеспечивая высокий К.П.Д. использования энергии.
Мгновенно проникая вглубь концентрируемого раствора кислоты, СВЧ-излучение резко увеличивает интенсивность колебательных движений молекул в растворе, что вызывает дополнительные энергетические возможности для ослабления межмолекулярных сил, прежде всего, водородных связей между молекулами кислоты и воды. Электромагнитные волны приводят к переориентации диполей воды относительно линий электромагнитного поля. Под действием излучения молекулы возбуждаются и поляризуются, т.е. начинают поворачиваться в поле высокочастотных электромагнитных колебаний. В результате интенсивных взаимодействий между диполями воды возникают силы трения, которые превращаются в тепло, что в свою очередь приводит к достаточно быстрому нагреву раствора кислоты по всему объему и испарению воды. При этом кислота концентрируется.
Главными достоинствами применения электромагнитного излучения СВЧ-диапазона для нагрева кислоты в процессе ее концентрирования в две или более ступеней с постепенным снижением давления на каждой последующей ступени являются:
- тепловая безынерционность процесса, т.е. возможность практически мгновенного включения и выключения теплового воздействия на кислоту;
- нагрев непосредственно в пределах разогреваемой кислоты без лишних энергетических потерь на нагрев окружающей среды и оборудования;
- высокий К.П.Д. процесса нагрева за счет передачи практически всей энергии электромагнитного излучения СВЧ-диапазона непосредственно раствору концентрируемой кислоты;
- полное отсутствие дополнительных энергоносителей (мазута, пара, воды, воздуха), из-за обязательного наличия которых значительно усложняется и дорожает любая установка концентрирования кислоты с традиционным нагревом.
Экономическая привлекательность способа обусловлена сокращением целого ряда затрат на организацию нагрева кислоты в установке концентрирования кислот:
- капитальных (на приобретение дорогостоящего оборудования к установке концентрирования, например, топки, где образуются топочные газы, колонны-концентратора, газодувки),
- эксплуатационных (на приобретение дополнительных энергоносителей, таких как мазут, газ, вода, пар и т.д.),
- полного отсутствия энергозатрат на нагрев любого теплоносителя.
Удешевление способа концентрирования кислот также достигается за счет изготовления нагревательной камеры установки концентрирования из недорогих коррозионно-устойчивых конструкционных материалов - диэлектриков, являющихся для СВЧ «прозрачными», например, стекла, фарфора, кварца, полиэтилена, фторуглеродных полимеров, например, фторопласта (тефлона) и других термостойких полимеров.
Изобретение позволяет:
- получить универсальный способ и установку концентрирования любых неорганических кислот, в том числе для укрепления слабых, для регенерации разбавленных кислот, для разделения и концентрирования кислот нитрующих смесей и т.д.;
- повысить К.П.Д. процесса нагрева концентрируемой кислоты;
- сократить энергоемкость способа концентрирования за счет высокого К.П.Д. процесса ступенчатого нагрева кислоты и отсутствия затрат на дополнительные энергоносители (мазут, газ, пар, воду);
- снизить потенциальную опасность способа за счет понижения температуры, при которой осуществляется процесс концентрирования кислоты, минимум до величины температуры кипения кислот (например, температура кипения концентрированной серной кислоты - Ткип=+279,6°С; концентрированной ортофосфорной кислоты - Ткип=+158°С) и вести концентрирование при невысоких температурах за счет нагрева кислоты в две или более ступеней с постепенным снижением давления на каждой последующей ступени;
- обеспечить незначительные расходы на содержание оборудования нагрева кислот;
- сократить технологическую длительность способа концентрирования кислоты за счет достаточно эффективного и быстрого ее нагрева;
- обеспечить компактность установки концентрирования кислоты за счет отсутствия необходимости хранения, подачи и разогрева энергоносителей;
- отказаться от дорогостоящих конструкционных материалов для обеспечения коррозионной стойкости оборудования и безопасности протекания процесса;
- сократить часть дорогостоящего оборудования в установке концентрирования кислоты, например, такого, как печи для нагрева топочных газов, колонны-концентраторы, газодувки;
- обеспечить автоматизацию процесса концентрирования на стадии нагрева кислоты с организацией блокировок для мгновенной аварийной остановки.
Основными отличительными признаками представленного способа и установки концентрирования кислоты от любых других являются:
1. универсальность способа и установки концентрирования кислоты независимо от исходной концентрации, вида применяющихся неорганических кислот или их смеси;
2. нагрев кислоты в две или более ступеней под непрерывным или импульсным воздействием электромагнитного излучения СВЧ-диапазона за счет установки магнетронов в качестве нагревательных устройств на наружной поверхности выпарного аппарата установки концентрирования кислоты с постепенным снижением давления на каждой последующей ступени;
3. энергосбережение способа концентрирования за счет высокого К.П.Д. преобразования электромагнитного излучения в теплоту нагрева кислот в две и более ступеней с возможностью использования горячих кислот на одной из ступеней;
4. компактность способа и установки концентрирования за счет отсутствия огромного материалоемкого оборудования на стадии нагрева кислот (колонн, печей для получения топочных газов, газодувок, газоходов);
5. снижение времени концентрирования кислот за счет достаточно быстрого нагрева кислоты электромагнитным излучением СВЧ-диапазона;
6. полное отсутствие дополнительных энергоносителей (мазута, газа, воды, пара и т.д.) для разогрева кислоты;
7. экономичность создания установки концентрирования за счет отсутствия дорогостоящего оборудования для нагрева кислоты, такого как печи для получения топочных газов, газодувки, колонны-концентраторы;
8. технологическая безопасность способа за счет возможности снижения температуры проведения процесса концентрирования путем нагрева кислоты в две или более ступеней с постепенным снижением давления на каждой ступени;
9. безынерционность процесса нагревания кислоты, позволяющая обеспечить автоматизацию и блокировку для мгновенной остановки процесса;
10. более высокая гибкость в управлении процессом за счет:
- возможности организации многоступенчатости процесса концентрирования с непрерывным или импульсным воздействием электромагнитного излучения СВЧ-диапазона при нагреве кислоты, совмещенном со снижением давления на каждой последующей ступени;
- многосекционности выпарных аппаратов,
- подачи концентрируемых кислот в параллельно установленные выпарные аппараты,
- постепенного снижения давления на каждой последующей ступени;
11. экологическая безопасность процесса концентрирования за счет исключения локального перегрева по объему нагреваемой кислоты (соответственно, непредусмотренных выбросов разложившейся кислоты с паровой фазой) путем организации работы магнетронов в непрерывном или импульсном режиме со снижением давления на каждой последующей ступени, использования технологических насадок для рассредоточения СВЧ-излучения в выпарном аппарате установки концентрирования кислоты, а также улова токсичных газов в оросительной колонне;
12. надежность перетока жидкостей обеспечивается использованием гидрозатворов на входе в выпарной аппарат, выходе из него, а также на выходе жидкой фазы из теплообменников-конденсаторов;
13. вертикальное расположение теплообменников-конденсаторов с входом паровой фазы в верхней части и выходом жидкой фазы в нижней части (т.е. с движением жидкости сверху вниз) обеспечивает дополнительное создание разряжения в выпарном аппарате, что снижает энергозатраты на вакуумирование в установке концентрирования кислоты.
Вышеперечисленные отличительные признаки данного изобретения в совокупности обеспечивают получение положительного технического результата.
Способ согласно изобретению в различных вариантах его воплощения и установка для осуществления этого способа подробно описаны ниже с использованием следующих чертежей, на которых представлены:
Фиг. 1 - упрощенная схема процесса на типовой установке концентрирования кислот.
Фиг. 2 - схема конструктивного выполнения выпарного аппарата установки концентрирования кислот.
Фиг. 3 - схема концентрирования кислот с применением параллельно установленных выпарных аппаратов.
Фиг. 4 - схема концентрирования и разделения смеси кислот.
Фиг. 5 - схема концентрирования азотной кислоты.
Фиг. 6 - виды технологических насадок для рассредоточения СВЧ-излучения.
В соответствии с данным изобретением концентрирование кислот осуществляется следующим образом.
Согласно упрощенной схемы процесса на типовой установке концентрирования кислот (Фиг. 1), слабоконцентрированная кислота (например, серная кислота с концентрацией 70%) по трубопроводу поступает на вход 1 в первую секцию выпарного аппарата 2, выполненного, например, из фторопласта, в которой с помощью вакуумного насоса, подключенного к теплообменнику-конденсатору 3, через выход 4 создается разряжение -P1. В первой секции выпарного аппарата 2 происходит нагрев кислоты до температуры ее кипения T1, соответствующей разряжению -P1; за счет электромагнитного излучения СВЧ-диапазона, которое создается-магнетронами 5 с частотой 2450 МГц, установленными на наружной поверхности выпарного аппарата 2. Уровнем создаваемого разряжения -P1 в секции выпарного аппарата 2 можно регулировать температуру T1, при которой происходит кипение серной кислоты, причем T1 гораздо ниже температуры ее кипения при атмосферном давлении (T1<<Tкип), в связи с чем представленный процесс концентрирования является более безопасным. В результате кипения кислоты паровая фаза, содержащая воду, через выход 4 по трубопроводу транспортировки паровых фаз откачивается в теплообменник-конденсатор 3, где конденсируется в виде воды и далее направляется в канализационную систему.
Из первой секции жидкая фаза (Фиг. 1), содержащая серную кислоту с концентрацией больше 70%, проходит под вертикальной перегородкой, не доходящей до дна и разделяющей выпарной аппарат 2 на две секции, и поступает во вторую секцию, в которой с помощью вакуумного насоса, соединенного с теплообменником-конденсатором 6, через выход 7 создается разряжение -P2, причем разряжение во второй секции выпарного аппарата 2 выше разряжения в первой секции:
-P1<-P2.
Во второй секции выпарного аппарата 2 происходит нагрев кислоты до температуры ее кипения T2 (при концентрации кислоты более 70%), соответствующей разряжению -P2, за счет электромагнитного излучения СВЧ-диапазона, которое также создается магнетронами 5 с частотой 2450 МГц, установленными на наружной поверхности выпарного аппарата 2. В результате кипения кислоты паровая фаза, содержащая воду, через выход 7 по трубопроводу транспортировки паровых фаз откачивается в теплообменник-конденсатор 6, где конденсируется в виде воды и далее также направляется в канализационную систему. Из второй секции жидкая фаза через выход 8 в виде сконцентрированной кислоты выходит из выпарного аппарата 2 и направляется в емкость для сбора и хранения концентрированных кислот, либо передается на соответствующую технологическую фазу производства для непосредственного использования.
Для получения более высокой концентрации кислоты выпарной аппарат 2 (Фиг. 2), выполненный, например, из фторопласта, может содержать более двух секций (например, n секций), последовательно соединенных между собой, на наружной поверхности которых установлены магнетроны 5, причем для удобства организации перетока концентрируемой кислоты рекомендуемое количество секций должно быть кратно двум. В любом случае, каждая секция имеет выход для паровой фазы (например, 4, или 7, или n), соединенный трубопроводом с соответствующим теплообменником-конденсатором (например, 3, или 6, или n), кроме того, заключительная секция также имеет выход 8 для сконцентрированной кислоты, соединенный с трубопроводом отвода жидкой фазы, причем разряжение -Pi+1, создаваемое в каждой последующей секции i+1 выпарного аппарата 2, выше разряжения -Pi в ее предыдущей i секции:
-P1<-P2<…<-Pi<-Pi+1,
а общее количество секций в выпарном аппарате:
n=i+1.
В случае количества секций в выпарном аппарате, не кратного двум, уровень жидкости в последней секции аппарата будет определяться высотой установки патрубка выхода 8 концентрированной кислоты из аппарата 2.
Количество магнетронов 5, устанавливаемых на наружной поверхности выпарного аппарата 2, может быть любым: от одного для каждой секции и более. Количество магнетронов выбирается по принципу соответствия (равенства) общей суммарной мощности всех магнетронов количеству необходимой энергии, которая должна быть затрачена на нагрев до температуры кипения и испарение 1 кг воды из концентрируемой кислоты. Использование двух и более магнетронов 5, установленных в определенных местах на наружной поверхности выпарного аппарата 2, позволяет бороться с локальными перегревами кислоты, не допускать ее разложения и попадания продуктов распада в паровую фазу установки концентрирования.
Работа магнетронов для создания электромагнитных волн СВЧ-диапазона может происходить как в непрерывном, так и в импульсном режиме, в зависимости от мощности магнетронов, установленных на наружной поверхности выпарного аппарата, и производительности установки концентрирования.
Для выравнивания теплового поля по объему концентрируемой кислоты и исключения локального ее перегрева работа установки концентрирования осуществляется в непрерывном режиме, при этом выпарной аппарат представляет собой аппарат непрерывного вытеснения, в котором наблюдается постоянный переток выпариваемой кислоты из предыдущей секции аппарата в следующую секцию, и т.д. Постоянному перетоку кислоты способствует постепенное снижение давления, т.е. создание более высокого разряжения в каждой последующей секции выпарного аппарата. Кроме того, для обеспечения равномерности нагрева и исключения локального перегрева по объему нагреваемой кислоты выпарной аппарат может содержать технологические насадки различной формы, представленные на рисунке (Фиг. 6), выполненные, например, из металлокерамики, для рассредоточения СВЧ-излучения, которые отражают электромагнитные волны, что приводит к изменению концентрации электромагнитного поля и рассеиванию максимального тепловыделения по объему.
Работа установки концентрирования может строиться по модульному принципу. Для запланированного увеличения производительности установки в 2 раза можно подключить второй аналогичный выпарной аппарат 2 (Фиг. 3) параллельно к имеющемуся, при этом соединить трубопроводами для отвода и транспортировки паровых фаз выходы 4, 7 соответствующих секций второго выпарного аппарата 2 с имеющимися соответствующими теплообменниками-конденсаторами 3, 6, при этом исходная мощность теплообменников-конденсаторов 3, 6 и вакуумных насосов должна быть рассчитана на конечную запланированную производительность установки концентрирования. Такая параллельная схема подключения выпарных аппаратов 2 (Фиг. 3) является технологически удобной и экономически выгодной в случае проведения планово-предупредительных ремонтных работ на установке, либо при неравномерном поступлении кислоты из технологического процесса на ее концентрирование.
Модульный принцип построения установки концентрирования также применяется при необходимости получения конечных продуктов разной концентрации. Тогда выпарные аппараты 2 соединяются последовательно друг за другом, образуя ступени концентрирования (i, i+1), причем выход 8 последней секции предыдущего выпарного аппарата через трубопровод жидкой фазы будет соединяться с входом 1 кислоты, подаваемой на концентрирование в следующий выпарной аппарат 2. В этом случае трубопровод жидкой фазы должен иметь дополнительное ответвление (выход) для отвода сконцентрированной кислоты с i-ой ступени. При последовательном соединении выпарных аппаратов нагрев кислоты воздействием электромагнитного излучения СВЧ-диапазона осуществляется с постепенным снижением давления на каждой последующей ступени:
Pi+1<Pi,
где Pi - давление в предыдущем выпарном аппарате;
Pi+1 - давление с следующем выпарном аппарате.
В случае многоступенчатости процесса и перетока кислоты из одного выпарного аппарата в другой на входе 1 кислоты, подаваемой на концентрирование, и выходе 8 из каждого аппарата 2 устанавливается гидрозатвор, обеспечивающий надежность перетока кислоты и отсутствие попадания газовой фазы в жидкую. Наличие гидрозатвора на входе 1 и выходе 8 выпарного аппарата 2 обеспечивает стабильную работу всей установки концентрирования кислоты, независимо от количества ее ступеней и количества секций в выпарном аппарате 2.
В установке концентрирования кислот расположение теплообменников-конденсаторов (например, 3, 6, … n) может быть любым, однако, для создания дополнительного разряжения в выпарном аппарате 2 предпочтительно вертикальное их расположение с входом паровой фазы в верхней части теплообменника-конденсатора и выходом жидкой фазы в нижней его части. Такое расположение теплообменников-конденсаторов с движением жидкости через них сверху вниз обеспечивает дополнительное снижение энергозатрат на процесс вакуумирования в установке концентрирования кислот. Наличие гидрозатвора на выходе жидкой фазы из теплообменника-конденсатора также позволяет обеспечить стабильную работу всей установки концентрирования кислот, исключая попадание газовой фазы из атмосферы в вакуумные насосы.
При подаче на установку концентрирования смеси кислот, например, отработанной нитрующей смеси, состоящей из 25% азотной кислоты, 55% серной кислоты, 20% воды (Фиг. 4), по трубопроводу на вход 1 в первый выпарной аппарат 2 поступает исходная отработанная кислотная смесь, в которой кислоты между собой отличаются температурой кипения (например, температура кипения при нормальном атмосферном давлении концентрированной азотной кислоты составляет +82,6°C, концентрированной серной кислоты - +279,6°C). В первой секции выпарного аппарата 2 за счет электромагнитного излучения СВЧ-диапазона происходит нагрев и кипение смеси кислот, в результате которого в испаряется азотная кислота, которая через выход 4 по трубопроводу отвода паровой фазы поступает в теплообменник-конденсатор 3, где конденсируется в виде жидкой фазы, а затем через выход жидкой фазы может подаваться на приготовление нитрующей смеси в технологическом процессе нитрования или этерификации, либо на дополнительное концентрирование.
В первом выпарном аппарате 2 жидкая фаза из первой секции перетекает во вторую секцию с более низким давлением, чем в первой секции, где также под воздействием электромагнитного СВЧ-излучения магнетронов 5 происходит кипение жидкой фазы, в результате чего в паровую фазу попадает остаточное содержание азотной кислоты из жидкой фазы. Далее паровая фаза, содержащая азотную кислоту, через выход 7 по трубопроводу поступает в теплообменник-конденсатор 6, где конденсируется в виде жидкой фазы, которая через выход жидкой фазы также может идти в техпроцесс нитрования на приготовление нитрующей смеси, либо подаваться на дополнительное концентрирование.
Откачанная из теплообменников-конденсаторов 3, 6 паровая фаза, освобожденная от сконденсированной азотной кислоты, может содержать токсичные оксиды азота, для улова которых рекомендуется устанавливать оросительную колонну 9 и/или 10 (в зависимости от наличия оксидов азота), в нижнюю часть которой по трубопроводу на вход 11 поступает газовая фаза, содержащая оксиды азота, а в верхнюю на орошение подается азотная кислота, например, после теплообменников-конденсаторов 3, 6 по трубопроводу на вход 12. Выходящая через выход 13 после колонн орошения 9, 10 азотная кислота будет иметь более высокую концентрацию за счет взаимодействия воды, содержащейся в кислоте, с оксидами азота и образованием азотной кислоты. После прохождения колонн орошения 9, 10 азотная кислота может поступать непосредственно в технологический процесс нитрования, либо направляться на дальнейшее концентрирование.
После удаления из нитрующей смеси в виде паровой фазы азотной кислоты в жидкой фазе выпарного аппарата 2 содержится разбавленная водой серная кислота, которая через выход 8 по трубопроводу может быть направлена на вход 1 в следующий выпарной аппарат 2 на дальнейшее концентрирование серной кислоты.
При концентрировании азотной кислоты (Фиг. 5) или отработанных кислотных смесей (ОКС) в первую секцию выпарного аппарата 2 установки концентрирования кислот через вход 1 одновременно с кислотой, поступающей на концентрирование, подается (для ОКС - может подаваться) серная кислота (в т.ч. горячая после концентрирования) с концентрацией не менее 89% масс. В первой секции выпарного аппарата 2 за счет электромагнитного СВЧ-излучения магнетронов 5 происходит нагрев и кипение смеси азотной и серной кислот, в результате которого в паровую фазу поступает азотная кислота (как низкокипящая по сравнению с серной кислотой), которая через выход 4 по трубопроводу отвода паровой фазы с помощью вакуумного насоса откачивается в теплообменник-конденсатор 3, далее по трубопроводу в виде жидкой фазы подается на вход 12 в оросительную колонну 9 для промывки отходящих по трубопроводу с теплообменника-конденсатора 3 газов и улова оксидов азота, поступающих в колонну 9 через вход 11. В выпарном аппарате 2 жидкая фаза, содержащая серную кислоту, воду и остаточное количество азотной кислоты, перетекает во вторую секцию, где под действием СВЧ-излучения магнетронов 5 также происходит нагрев и кипение смеси, в результате которого азотная кислота в виде паровой фазы через выход 7 по трубопроводу отвода паровой фазы с помощью вакуумного насоса подается в теплообменник-конденсатор 6, откуда также в виде жидкой фазы через вход 12 направляется в оросительную колонну 10 для улова оксидов азота, поступающих через вход 11 по трубопроводу с теплообменника-конденсатора 6. После прохождения оросительных колонн 9, 10 сконцентрированная азотная кислота может подаваться на дальнейшее концентрирование, либо использоваться в виде конечного продукта по назначению, например, при приготовлении нитрующих смесей. После удаления азотной кислоты из выпарного аппарата 2 через выходы 4, 7 в виде паровой фазы, серная кислота, удерживающая воду, поступившую из концентрируемой азотной кислоты, через выход 8 по трубопроводу направляется на дальнейшее концентрирование в следующий выпарной аппарат 2, где происходит под действием СВЧ-излучения магнетронов 5 ее нагрев и кипение, причем паровая фаза через выходы 4, 7 с помощью вакуумных насосов откачивается в теплообменники-конденсаторы 3, 6, где конденсируется в виде воды и поступает в канализацию, а концентрированная горячая серная кислота с концентрацией не менее 89% масс, через выход 8 выпарного аппарата 2 может направляться на вход 1 в первый выпарной аппарат 2 на концентрирование азотной кислоты или использоваться по назначению, например, при приготовлении нитрующих смесей.
Примеры осуществления способа концентрирования кислот путем их нагрева и испарения воды под действием электромагнитного излучения СВЧ-диапазона.
Для концентрирования использовалась серная кислота с исходной концентрацией около 60% (см. таблицу.). Методика проведения эксперимента заключалась в нагреве кислоты в керамической емкости объемом 200 мл в микроволновой установке с магнетроном частотой 2450 МГц и мощностью 700 Вт в импульсном режиме, один цикл которого включает время работы магнетрона и его остановки. Во время остановки магнетрона измерялась концентрация серной кислоты весовым методом. В таблице представлена кинетика концентрирования исходной серной кислоты до 90% для двух примеров работы установки в импульсном режиме работы магнетрона.
Таким образом, предлагаемый способ и установка для концентрирования кислоты по сравнению с любыми другими имеют следующие преимущества:
- универсальность, обеспечивающую концентрирование или регенерацию любых неорганических кислот или их смесей с любой исходной концентрацией;
- экономическую целесообразность организации нагрева кислот воздействием электромагнитного излучения СВЧ-диапазона в две или более ступеней с постепенным снижением давления на каждой последующей ступени;
- энергосбережение при организации нагрева кислот микроволновым излучением и использования нагретых кислот на последующих ступенях;
- высокий К.П.Д. за счет преобразования энергии электромагнитного излучения в тепло для нагрева кислот и использования понижения давления на последующих ступенях;
- дешевизну способа и любой созданной на его основе установки концентрирования за счет отсутствия дорогостоящего оборудования из дорогих конструкционных материалов и энергоносителей для нагрева кислот при совместном использовании СВЧ-излучения и понижения давления на последующих ступенях;
- сокращение времени технологического процесса концентрирования различных видов неорганических кислот или их смесей за счет ускорения нагрева кислоты и испарения жидкой фазы при снижении давления на каждой последующей ступени;
- технологическую безопасность за счет безынерционное™ процесса нагрева кислот микроволновым излучением и низких температур концентрирования кислот при понижении давления на последующих ступенях;
- простоту управления процессом концентрирования;
- большую широту диапазона производительности установки концентрирования кислот за счет применения многоступенчатого электромагнитного СВЧ-излучения в непрерывном или импульсном режиме.
На основе данного изобретения возможно создание современных, компактных, высокотехнологичных, энергосберегающих установок концентрирования кислот как в специальном производстве (например, для регенерации и концентрирования кислот, поступающих с установок нитрования в производстве нитратов целлюлозы), так и в народном хозяйстве, например, при получении комплексных неорганических удобрений.
Литература
1. Лебедев А.Я., Тарасов А.П. Регенерация отработанных смесей азотной и серной кислот.- М.: Дом техники, 1963. - 80 с.
2. Лебедев А.Я. Установка для нитрации и концентрирования серной кислоты. - М: Химия, 1972. - 240 с.
3. Гиндич В.И. Технология пироксилиновых порохов: Т. 1. Производство нитратов целлюлозы и регенерации кислот. - Казань, 1995. - 554 с.
4. Очистка воздуха от кислотных выбросов в производствах нитратов целлюлозы / Забелин Л.В. // Известия Томского политехнического университета, 2003. - Т. 306, №1. - стр. 83-88.
5. Технология СВЧ-нагрева: потенциал и границы / Иван Именохоев, Ханс Виндсхаймер, Роланд Вайтц, Надя Кинтсель и Хорст Линн // LINN HIGH THERM GmbH, Germany. - Scope. - 2005, №2 / февраль. - Hoppenstedt Publishing.
Claims (7)
1. Способ концентрирования кислоты путем ее нагрева непрерывным или импульсным воздействием электромагнитного излучения СВЧ-диапазона и испарения жидкой фазы, отличающийся тем, что нагрев кислоты осуществляется в две или более ступеней с постепенным снижением давления на каждой последующей ступени.
2. Установка для осуществления способа в соответствии с п. 1, включающая выпарной аппарат 2 с входом 1 для кислот, подаваемых на концентрирование, выходом 4, 7 для паровой фазы, выходом 8 для жидкой фазы; теплообменники-конденсаторы 3, 6 для паровых фаз, получаемых с выпарного аппарата; а также необязательно оросительную колонну 9 и/или 10 для промывки отходящих газов, трубопроводы для подачи исходных потоков кислоты, для транспортировки, распределения и отвода паровых и жидких фаз, получаемых в качестве промежуточных и конечных продуктов и отводимых газов, и нагревательные, охлаждающие и регулирующие давление устройства, отличающаяся тем, что выпарной аппарат представляет собой емкость, разделенную по меньшей мере на две секции, последовательно соединенные между собой, каждая из которых снабжена выходом для паровой фазы, соединенным с теплообменником-конденсатором, на наружной поверхности выпарного аппарата в качестве нагревательного устройства установлены магнетроны 5, а в качестве регулирующих давление устройств используются вакуумные насосы, причем разрежение в каждой последующей секции выпарного аппарата выше разрежения предыдущей секции, а уровень жидкой фазы в последней секции аппарата определяется высотой установки патрубка выхода сконцентрированной кислоты из аппарата.
3. Установка по п. 2, отличающаяся тем, что дополнительно содержит один или более параллельно установленных выпарных аппаратов для подачи кислоты на концентрирование.
4. Установка п. 2 или 3, отличающаяся тем, что для исключения локального перегрева по объему нагреваемой кислоты выпарной аппарат содержит технологические насадки для рассредоточения СВЧ-излучения.
5. Установка по любому из пп. 2-4, отличающаяся тем, что выпарной аппарат имеет на входе кислоты, подаваемой на концентрирование, и на выходе жидкой фазы гидрозатворы.
6. Установка по любому из пп. 2-5, отличающаяся тем, что теплообменники-конденсаторы расположены в вертикальной плоскости с входом паровой фазы в верхней части и выходом жидкой фазы в нижней части.
7. Установка по любому из пп. 2-6, отличающаяся тем, что теплообменники-конденсаторы на выходе жидкой фазы имеют гидрозатворы.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016141084A RU2651253C1 (ru) | 2016-10-19 | 2016-10-19 | Способ и установка для концентрирования кислот |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016141084A RU2651253C1 (ru) | 2016-10-19 | 2016-10-19 | Способ и установка для концентрирования кислот |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2651253C1 true RU2651253C1 (ru) | 2018-04-18 |
Family
ID=61976803
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2016141084A RU2651253C1 (ru) | 2016-10-19 | 2016-10-19 | Способ и установка для концентрирования кислот |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2651253C1 (ru) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110947191A (zh) * | 2018-09-27 | 2020-04-03 | 韩林辰 | 一种接触式蒸发系统 |
| RU2735045C1 (ru) * | 2020-03-10 | 2020-10-27 | Общество с ограниченной ответственностью "Технологические Системы и Комплексы" | Теплообменный элемент для установки в потоке газа, нагреваемого за счет энергии свч-излучения, и устройство для свч-нагрева газа |
| CN112265967A (zh) * | 2020-11-04 | 2021-01-26 | 徐州市拓普电气设备有限公司 | 一种高安全性智能型变频电磁加热硫酸提纯设备 |
| RU223173U1 (ru) * | 2023-12-22 | 2024-02-05 | Общество с ограниченной ответственностью "Торговый Дом "ХИММЕД" | Кварцевый реактор для получения серной кислоты азеотропного состава |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4671951A (en) * | 1984-03-23 | 1987-06-09 | C-I-L Inc. | Purification and reconcentration of waste sulphuric acid |
| US5075097A (en) * | 1990-10-11 | 1991-12-24 | Cameron Gordon M | Method and apparatus for sulfuric acid concentration |
| RU2075324C1 (ru) * | 1992-09-14 | 1997-03-20 | Александр Михайлович Ищенко | Концентратор серной кислоты |
| RU2113889C1 (ru) * | 1991-05-21 | 1998-06-27 | Инститьют оф Ньюклиа Кемистри энд Текнолоджи | Способ удаления so2 и nox из продуктов сгорания топочных газов и устройство для его осуществления |
| CN102730656A (zh) * | 2012-06-26 | 2012-10-17 | 瓮福（集团）有限责任公司 | 利用萃余酸微波加热生产高浓度磷酸的方法 |
-
2016
- 2016-10-19 RU RU2016141084A patent/RU2651253C1/ru active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4671951A (en) * | 1984-03-23 | 1987-06-09 | C-I-L Inc. | Purification and reconcentration of waste sulphuric acid |
| US5075097A (en) * | 1990-10-11 | 1991-12-24 | Cameron Gordon M | Method and apparatus for sulfuric acid concentration |
| RU2113889C1 (ru) * | 1991-05-21 | 1998-06-27 | Инститьют оф Ньюклиа Кемистри энд Текнолоджи | Способ удаления so2 и nox из продуктов сгорания топочных газов и устройство для его осуществления |
| RU2075324C1 (ru) * | 1992-09-14 | 1997-03-20 | Александр Михайлович Ищенко | Концентратор серной кислоты |
| CN102730656A (zh) * | 2012-06-26 | 2012-10-17 | 瓮福（集团）有限责任公司 | 利用萃余酸微波加热生产高浓度磷酸的方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| СЁМОЧКИН А.С. и др., Применение СВЧ-излучения для концентрирования серной кислоты в вакууме, Вестник Казанского технологического университета, 2010, N 8, сс. 410, 411. * |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110947191A (zh) * | 2018-09-27 | 2020-04-03 | 韩林辰 | 一种接触式蒸发系统 |
| RU2735045C1 (ru) * | 2020-03-10 | 2020-10-27 | Общество с ограниченной ответственностью "Технологические Системы и Комплексы" | Теплообменный элемент для установки в потоке газа, нагреваемого за счет энергии свч-излучения, и устройство для свч-нагрева газа |
| CN112265967A (zh) * | 2020-11-04 | 2021-01-26 | 徐州市拓普电气设备有限公司 | 一种高安全性智能型变频电磁加热硫酸提纯设备 |
| RU223173U1 (ru) * | 2023-12-22 | 2024-02-05 | Общество с ограниченной ответственностью "Торговый Дом "ХИММЕД" | Кварцевый реактор для получения серной кислоты азеотропного состава |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2651253C1 (ru) | Способ и установка для концентрирования кислот | |
| CN104860462B (zh) | 一种微波净化处理含重金属离子废水的设备及应用方法 | |
| US10258899B2 (en) | Mobile mechanical vapor recompression evaporator | |
| CN105366867B (zh) | 一种单效多室机械压缩蒸发处理高盐/高有机物废水装置及方法 | |
| CN106672931B (zh) | 一种由湿法磷酸生产多聚磷酸的方法及设备 | |
| CN103318918B (zh) | 一种净化回收氨气的方法 | |
| CN104310428A (zh) | 一种液体硝酸铵生产系统及生产方法 | |
| CN111020589B (zh) | 铝蚀刻液回收再利用的装置与方法 | |
| CN110372486B (zh) | 一种抑制管道聚合反应的阻聚剂添加装置 | |
| CN103537105A (zh) | 一种带分布器的多相流蒸发系统及其应用 | |
| CN114772829A (zh) | 电站锅炉有机酸化学清洗废液蒸馏-氧化处理系统及方法 | |
| CN104066709B (zh) | 用于生产硝基苯的方法和设备 | |
| CN104118960A (zh) | 一种热空气多级加热的海水淡化装置 | |
| CN103553164B (zh) | 水平-竖直管降膜多效蒸发高盐废水处理系统 | |
| JP2016128746A (ja) | 過熱水蒸気発生器 | |
| CN206751452U (zh) | 一种利用烟气余热浓缩脱硫废水的喷雾系统 | |
| JP2024502218A (ja) | 復水を処理するための分離塔及びその方法 | |
| CN103663830B (zh) | 用于废水回收二甲胺的回收装置 | |
| CN102791347A (zh) | 用于易聚合化合物的蒸馏的工艺和设备 | |
| CN202529877U (zh) | 一种处理高难废水可直接回用的设备 | |
| CN112456581A (zh) | 一种单蒸釜蒸发系统 | |
| CN105366738A (zh) | 无水反应制取聚合硫酸铁的方法 | |
| CN205613075U (zh) | 一种磷酸铁锂前驱体浆料干燥产生的乙醇蒸汽回收装置 | |
| RU2296107C1 (ru) | Установка для опреснения морской воды | |
| CN219736013U (zh) | 一种焙烧炉气余热回收装置 |