Фаза абсорбции нитрозных газов

В производстве нитратов целлюлозы на тех фазах, где в наличии азотная кислота (приготовление рабочей

кислотной смеси, нитрация, рекуперация кислот, регенерация отработанной кислотной смеси) выделяется значительное количество паров азотной кислоты, оксидов азота, уносится некоторое количество серной кислоты. В результате образуются так называемые нитрозные газы, имеющие примерный состав: 95 – 96,5 % паров азотной кислоты; 2,5 – 4,0 % окислов азота и 0,65 – 0,95 % паров серной кислоты [1].

Нитрозные газы улавливаются с помощью вытяжной системы и направляются на фазу абсорбции. Назначение этой фазы, с одной стороны, устранить потери ценных продуктов, с другой – снизить выброс вредных веществ в атмосферу. Пары азотной кислоты и оксиды азота из газовой среды обычно извлекаются водой или разбавленной азотной кислотой; для этого нитрозные газы направляются в поглотительные аппараты, где происходит конденсация паров азотной кислоты, а также окисление оксидов азота и их абсорбция водой.

Оксиды азота, поступающие на фазу абсорбции, имеют различную степень окисления. Из всех содержащихся в нитрозных газах оксидов азота в виде NO, NO₂, N₂O₄ и N₂O₃ только NO не может реагировать с водой, и, чтобы перевести оксид азота в азотную кислоту, он должен быть окислен до диоксида.

При поглощении диоксида и тетраоксида азота образуется одинаковое количество азотной и азотистой кислот [9]. Поэтому практически не имеет значения, реагирует с водой диоксид или тетраоксид. Учитывая незначительное количество триоксида азота в нитрозных газах, все технологические расчеты проводятся по уравнению

3NO₂+H₂O=2HNO₃+NO.

Как видно из этого уравнения, только 2/3 поглощаемого диоксида азота идет на образование азотной кислоты, а 1/3 выделяется в виде монооксида азота.

Образовавшийся монооксид азота для дальнейшей переработки должен быть окислен кислородом в газовой фазе до диоксида азота по уравнению

2NO + O₂ = 2NO₂.

Получающийся вновь диоксид азота опять реагирует с водой, превращаясь на 2/3 в азотную кислоту, а выделившийся монооксид снова должен быть окислен.

Таким образом, весь процесс поглощения распадается на ряд последовательно протекающих реакций окисления NO в NO₂ и образования азотной кислоты из NO₂. Абсолютно полное поглощение нитрозных газов не достигается. Нельзя все количество NO₂ превратить в азотную кислоту, как бы много циклов поглощения ни было предусмотрено, т.к. в каждом цикле всегда 1/3 оксидов азота будет выделяться в виде NO в газовую фазу.

Расчеты показывают [8], что в поглотительной системе должно окисляться монооксида в 1,5 раза больше исходного количества, а поэтому в нитрозных газах, поступающих на поглощение, обычно недостаточно кислорода для превращения всех оксидов азота в азотную кислоту. Подачу и регулирование содержания кислорода в газе производят за счет ввода в поглотительную систему атмосферного воздуха в результате создания в установке разрежения.

Оптимальная концентрация кислорода в нитрозных газах для наибольшей скорости окисления монооксида азота считается 6,9 %, однако при практическом осуществлении процесса поглощения оксидов азота существенным является не достижение максимальной скорости реакции, а проведение ее в поглотительной системе с наименьшим объемом.

При степени поглощения выше 96 % удельный объем поглотительной системы резко увеличивается, поэтому на практике не стремятся к полному поглощению оксидов азота, а степень превращения их в азотную кислоту ограничивают 95 – 96 %.

Поглощение нитрозных газов обычно ведется в насадочных колоннах аппаратах, получивших название поглотительных башен. Это достаточно большие сооружения, имеющие диаметр 2 – 6 м и высоту 10 – 30 м. В нижней части башни расположена мощная колосниковая решетка, на которой почти на всю высоту башни загружается насадка в виде, как правило, керамических колец (кольца Рашига).

Из условия равновесного состояния, которое наступает между диоксидом азота и водным раствором азотной кислоты, следует, что чем выше концентрация NO₂ в нитрозных газах и чем ниже концентрация кислоты, тем выше степень поглощения NO₂. Ввиду этого для более полного поглощения окислов азота осуществляется противоток газов и кислоты в несколько ступеней. Поэтому система для абсорбции натрозных газов состоит из нескольких поглотительных башен, соединенных последовательно друг с другом.

Каждая башня имеет свою циркуляционную систему, состоящую из насоса, холодильника и трубопроводов с запорной арматурой.

Циркуляционная система забирает жидкую фазу, стекающую в нижнюю часть башни, охлаждает ее, подает в верхнюю часть на орошение насадка. Необходимость охлаждения связана с тем, что реакции окисления монооксида азота и образования из диоксида азота азотной кислоты являются экзотермическими, т.е. протекают с выделением тепла.

Нитрозные газы под действием создаваемого в системе разрежения поступают в первую башню, затем во вторую и т.д. Разрежение в системе создается воздуходувкой, которая отсасывает газы из последней башни через каплеуловитель и подает их в трубу для рассеивания в атмосфере.

Жидкая фаза в виде азотной кислоты движется противотоком, перетекая за счет уклона из последней башни в предпоследнюю и т.д., вытекая из первой башни в хранилище в виде азотной кислоты с массовой долей 48 – 50 %, которая подается на фазу регенерации для концентрирования. В первую башню из напорного бака поступает вода.

Таким образом, наименьшую концентрацию кислота имеет в последней башне, и по мере перетекания из башни в башню навстречу движению нитрозных газов ее концентрация повышается. На практике абсорбционная установка, как правило, состоит из 6 – 8 поглотительных башен.

Наряду с насадочными поглотительными башнями в производстве нитратов целлюлозы применяются вихревые и другого типа абсорберы [9].

Действие вихревого абсорбера основано на принципе вихревого взаимодействия фаз, который обеспечивает высокую степень турбулизации фаз и высокоразвитую поверхность контакта. Вихревой абсорбер менее металлоемок, включает меньшее количество вспомогательного оборудования, но уступает поглотительным башням по энергетическим затратам.