Улавливание тумана фосфорной кислоты

Выделение туманообразной фосфорной кислоты из газов является третьей стадией производственного процесса. Эта операция при современных масштабах фосфорнокислотного производства осуще­ствляется преимущественно в электрофильтрах и скрубберах Вентури и очень редко в насадочных фильтрах (насадка — стеклянная вата). Скрубберы Вентури более дешевые аппараты, чем электрофильтры, но эксплуатационные расходы на них намного выше, так как больше расход электроэнергии (до 100— 150 квто-ч на 1т 100%-ной Н₈Р0₄) вследствие высокого гидра­влического сопротивления скрубберов (от 150 до 1000 мм вод. ст.) и необходимости многократной циркуляции для интенсивного оро­шения и охлаждения кислоты.

Эффективность улавливания тумана кислоты в.скруббере Вен­тури в большой мере зависит от дисперсного состава тумана [51 — 53]. При диаметре капель тумана 1 мк степень улавливания в скруб­бере Вентури с 45-струйными форсунками (скорость жидкости 0, 6 м/сек, газа 6, 55 м/сек) достигает 98%, а при размере капель 0, 5 мк резко снижается — до 78% (рис. 46).

Электрофильтры имеют ряд несомненных преимуществ перед другими аппаратами. Основные из них: высокая степень очистки газов от тумана — до 99, 9% при весьма низком расходе энергии

Однако электрофильтры дорогостоящи аппараты: в зависи­мости от свойств очщаемого агента и необходимых условии работы затраты на сооружение установки для ряда производств находятся в пределах 275-2200 руб. на 1000 м3/ч газа [52]. Средние капитальные затраты при установке электро­фильтров для улаживания фосфорной кислоты по практическим данным составляют около 3000 руб на каждые 1000 м³/ч газа для фильтров с пропускной способностью от G до 30 тыс. м³/ч. В то же время капитальные затраты при использовании скрубберов Вентури не превышают 800 руб. на 1000 м³ газа.

Из практики очистки газов от пыли известны случаи, когда произ­водительность электрофильтра и эффективность очистки увеличи­вались в результате установки перед ним скруббера Вентури. По­высится ли в результате совместного применения электрофильтра и турбулентных аппаратов эффективность улавливания тумана в производстве фосфорной кислоты, предугадать трудно.

Возможность полного осаждения туманообразной фосфорной кислоты в электрофильтре при высоких температурах (120—300° С) экспериментально подтверждена М. М. Кобриным (термическая лаборатория НИУИФ). В этих условиях были получены высоко­концентрированные кислоты (рис. 47).

Туманообразпую фосфорную кислоту получали сжиганием паров фосфора в присутствии паров воды на установке, схема которой показана на рис. 48. Водяной пар пропускали через колбу с фосфо­ром для насыщения его парами. Смесь паров окислялась в кварцевой реторте, куда подсасывалось необходимое количество воздуха. Окис­ленные газы поступали в обогреваемый электрофильтр, а затем после охлаждения — в кварцевые фильтры для улавливания не осажденного тумана фосфорной кислоты. Однако в контрольных фильтрах не было обнаружено фосфорной кислоты, что доказывает полноту осаждения тумана в электрофильтре Результаты этих опытов были подтверждены исследованиями К. И. Загвоздкнна и сотр. [54] а в дальнейшем также данными производственной эксплуатации электрофильтров.

Исследуя состав уловленного в производственных установках тумана, автор нашел, что фосфорная кислота, осажденная тумана при быстром охлаждении представляет собой преимущественно метафосфорную кислоту. Если же Фосфорная кислота, собранная при улавливании туманообразной кислоты, находилась некоторое время в горячем состоянии (при 70-100 С), она полностью превра­щалась в ортофосфорпую кислоту.

В связи с возрастающими требованиями к чистоте газовых выбросов повышаются и нормы степени отчистки газов, а поэтому увеличиваются и значение электрофильтров. По санитарным нормам в газовых выбросах не допускается присутствия более 80 мг/м³

фосфорной кислоты, считая на ангидрид.

Степень очистки газов производственных по формуле

Рис. 48. Схема лабораторной установки для изучения условий осаждения

тумана фосфорной кислоты в электрофильтре: 1 — парообразователь;

2 — водяной затвор; 3 — колба с расплавленным фосфором;

4 — термометры; 5 — термостат; в — реторта для окисления паров фосфора; 7 — кран для слива фосфорной кислоты; 8 — короннрующий олектрод с грузом; 9 — электрофильтр; 10 — кран для слива воды;

11 — холодильник; 12 — осадительный электрод электрофильтра;

13, 14 — фильтры с кварцитом; 15 — реометр.

В основе способа электрической очистки газов от тумана или дыма лежит взаимодействие между заряженной жидкой или твердой микрочастицей и элек­трическим полем. Микрочастица приобретает заряд вследствие адсорбции ионов, образовавшихся в электрическом поле высокой напряженности

Сила взаимодействия F (в н) между двумя зарядами [52] в соответствии с законом Кулона описывается уравнением

диэлектрическая проницаемость вакуума (диэлектрическая постоян­ная), ф/м:

е — относительная диэлектрическая проницаемость среды (диэлектри­ческий коэффициент среды). Для газов е=1.

Вокруг электрического заряда образуется электрическое поле, характери­зующееся напряженностью, или градиентом напряжения, который в технике

измеряется в кв/см или в/см.

Напряженность электрического поля между двумя пластинами — электродами (рис. 49, а) равна:

Когда напряженность электрического поля достигает достаточно большой величины (например, для воздуха 16 кв/см), движущиеся заряды приобретают такую скорость, что при столкновении с нейтральными молекулами выбивают внешний электрон (или электроны), вследствие чего молекулы превращаются в ионы и свободные электроны. Этот многократно повторяющийся процесс при­водит к лавинообразной — ударной ионизации газа.

Электрическое поле между пластинами, как это следует из формулы (30), однородно, поля в коаксиальных цилиндрах, а также между проводом и пласти­нами (рис. 49, в) неоднородны, что характеризуется неравномерным распре­делением в них силовых линий.

Вследствие этой неоднородности возникшая у поверхности провода ударная ионизация не распространяется до другого электрода, а происходит незавершен­ный электрический разряд, сопровождающийся слабым свечением вокруг провода по всей его длине, который называется коронным разрядом или короной. Он возникает в случае, когда напряженность поля достигает некоторой критической величины Е_кр. Дальнейшее повышение напряженности поля до Е_и может при­вести к искровому разрыву — пробою.

При возникновении в пространстве между электродами коронного разряда к коронирующему проводу будут двигаться положительные ионы, если он соеди­нен с отрицательным полюсом (корона отрицательная), а отрицательные ионы отрицательно заряженные частицы к положительному осадительному элек­троду. На электродах происходит нейтрализация зарядов. Твердые или жидкие частицы отдают заряд положительному электроду и осаждаются на нем. Частицы размером намного меньше 1 мк приобретают заряд при адсорбции ими ионов, частицы крупнее 1 мк заряжаются вследствие их бомбардировки ионами.

Величину максимального заряда д_макс. частиц размером более 1 мк можно вычислить [52] по формуле

частицы диаметром менее 1 мк по уравнению

Взвешенная в газе микрочастица заряжается не мгновенно, а за некоторый промежуток времени г [уравнение (35)], обратно пропорциональный концентра­ции ионов, бомбардирующих частицу, и подвижности ионов К„. Подвижность ионов в электростатических единицах выражается отношением (36) скорости ионов W_u (в см/сек) к напряженности поля Е (в в/см):

По расчетам В. II. Ужова [52], в условиях обычного коронного разряда при концентрации 108 ион/см³ и при подвижности ионов К„ = 2 продолжитель­ность времени для получения 90% зарядов от предельно возможного числа составляет 0, 1 сек, а для получения 99% зарядов 1 сек.

Рассмотрим поведение частицы, находящейся в электрическом поле и вместе с другими частицами движущейся с газовым потоком в трубе (см. рис. 49, б) пли между пластинами (рис. 49, в) электрофильтра.

Такая частица находится под действием скорости газового потока, силы тяжести, электрического ветра, а также взаимодействия электрического поля с ее зарядом.

Скорость газового потока в электрическом поле электрофильтров зависит от их типа и свойств очищаемого газа. Ее, как правило, выбирают в пределах 0t3—2, 0 м/сек. Скоростью падения частицы под действием силы тяжести можно пренебречь вследствие малой величины этой слагаемой. Так, скорость свободного падения даже в спокойном воздухе составляет для частиц радиусом 1 мк лишь 8, 1 см/ч, а для частиц радиусом 10 мк — 75 см/ч. Если учесть, что время пре­бывания газа в электрическом поле электрофильтра составляет не более 10 сек, то падение частицы под влиянием силы тяжести составит всего около санти­метра. Электрический ветер — это механическое воздействие потока ионов на находящиеся в электрическом поле газовые молекулы, вызывающие их движение к осадительному электроду со скоростью 0, 5—1, 0 м/сек. Однако это явление можно также не учитывать, если скорость газа будет значительно больше 1 м/сек. В этом случае основной силой, действующей на частицу, движущуюся с газовым потоком в электрическом поле электрофильтра, является сила воздействия этого поля па заряд частицы:

Вне области короны эта сила F действует по направлению к осадительпому электроду; в области короны она может действовать по направлению к коро-нпрующему электроду, поскольку некоторые частицы могут оказаться заря-женпыми положительно.

Для нахождения скорости движения (дрейфа) частиц в электрическом поле W (в см/сек) пользуются формулой

При выводе этой формулы, которой можно пользоваться для расчета дрейфа.частиц радиусом от 2 до 50 мк, было сделано допущение, что Е₃ = Е_ос = Е и

б = 2.

ЛИТЕРАТУРА

1. Семенов Н. Н., Цепные реакции, Госхимиздат, 1934.

2. Семенов Н. Н., О некоторых проблемах химической кинетики и реак­ционной способности, Изд. АН СССР, 1958.

3. 3 а г в о з д к и п К. И., Б а р и л к о Н. А., Ж. прпкл. хим., 13, № 1, 29 (1940).

4. Харитоп 10. Б., Вальта 3. Ф., Z. physik. Chem., 39, II. 7—8, 547 (1926).

5. К i n g D. W., Ludlom E. В., J. Ghem. Soc, 10, 1500 (1938).

6. Ковальский A. A., Z. physik. Chem., (В) Н. 4, 180 (1929).

7. Ван Везер Дж., Фосфор и его соединения, перев. с англ., Издат-пнлит, 1962.

8. К р ю к о в а - Б и л е п к и н а Т. А., капд. дпсс, НИУИФ, 1940.

9. F i s с h Ь в с к К., Е i с h H., Вег., 71, № 3, 520 (1938).