УДК 669.2:628.5

Байдюсен У. Ж. - доцент, доктор философии (Ph.D.)

Абсеитов Е.Т- к.т.н., кафедра Экологии и лесного хозяйства

Казахского Агротехнического университет им. С. Сейфуллина г. Астана

МЕТОДЫ ОПТИМИЗАЦИИ КОНТРОЛЯ КОНЦЕНТРАЦИИ СЕРНИСТЫХ КОМПОНЕНТОВ В ВЫБРОСНЫХ ТРУБАХ СЕРНОКИСЛОТНЫХ ПРОИЗВОДСТВ

Значительные колебания температуры в течение всего времени технологического процесса производства серной кислоты на предприятиях цветной металлургии приводят к существенным колебаниям концентрации основных компонентов пылегазовых потоков. Причем взаимная зависимость их концентрации принимает неявный вид.

Основными участками, сернокислотного производства, на которые влияет температурный и динамический режим работы, являются сушильные башни, моногидратные абсорберы, теплообменники, напорные баки. Изменение температурного режима или расхода газообразной или парообразной фазы пылегазовых потоков ведет к перераспределению содержания их основных токсичных компонентов SO₂; SO₃; Н₂SO₄.

Содержание сернистых составляющих газовых потоков отходящих от сернокислотных производств находится в зависимости от температурного режима работы сушильных башен, в том числе и от температуры кислоты, поступающей на верхний вход в башню. Зависимость содержания SO₃ и Н₂SO₄ в отходящих газах от температуры в этом случае является обратно пропорциональной, как показано на рисунках 1 и 2.

Рис. 1. Зависимость концентрации серной кислоты в отходящих газах на входе в санитарную трубу от температуры в сушильной башне

	Концентрация триоксида серы, г/м^3 (н.у.)

Рис. 2. Зависимость содержания SO₃ в отходящих газах на входе в санитарную трубу от температуры в сушильной башне

Содержание составляющих SO₂, SO₃, H₂SО₄ в газовом потоке пропорционально его расходу. Зависимость SO₂ = f ( Q ) показана на рисунке 3.

Рис. 3.Зависимость концентрации диоксида серы в отходящих газах от расхода газового потока

Взаимная зависимость концентраций SO₂, SO₃, H₂SО₄ в отходящих газах определяется режимом проведения всех основных процессов производства серной кислоты и расходом газовых смесей. На рисунке 4 показана взаимная зависимость концентрации SO₂ = f (H₂SO₄) в отходящих газах.

	Концентрация серной кислоты, г/м^3 (н.у.)

Рис. 4 Взаимосвязь между концентрацией серной кислоты и диоксида серы в отходящих газах на входе в санитарную трубу

Существующие методы определения концентрации серной кислоты (аэрозоля) отличаются сложностью и долгосрочностью проведения процесса измерения, необходимостью создания лабораторной базы и невозможностью непрерывного контроля. Турбидиметрическое определение аэрозоля серной кислоты основано на реакции серной кислоты с хлоридом бария, при этом определению мешают сульфаты. Предел обнаружения серной кислоты 0,5 мг/м³. Метод требует большого количества посуды и приборов: аспирационное устройство, патроны для фильтров, колбы мерные, стаканы химические, фотоэлектрический колориметр-нефелометр, Рн-метр.

При фотометрическом измерении концентрации серной кислоты также необходимо иметь большое количество лабораторного оборудования. Проведению измерения мешают сульфаты железа, сильные кислоты.

Время взятия проб и определение концентрации серной кислоты для отдельного измерения по каждому из рассмотренных методов составляет не менее тридцати минут. Суммарные погрешности измерения достигают до 25%. При отборе проб поток необходимо аспирировать через фильтр. Сложность проведения процессов измерения и большой интервал времени его проведения исключают возможность непрерывного контроля концентрации серной кислоты, что является необходимым условием при значительных колебаниях концентрации серной кислоты, особенно при нештатных ситуациях.

Наиболее перспективными для автоматического измерения и непрерывного контроля концентрации паров серной кислоты являются приборы, основанные на оптических методах контроля. Показания пылемеров, основанные на качественных методах контроля, в том числе и оптических, зависят от свойств контролируемой среды, что приводит к необходимости разработки, изготовления и испытаний в промышленных условиях устройств формирующих потоки, необходимые для оптимальной работы пылемеров. Оптические пылемеры по принципу действия можно разделить на две группы: пылемеры, основанные на преобразовании ослабленного контролируемой средой излучения и пылемеры, основанные на преобразовании рассеянного контролируемой средой излучения.

Необходимость формирования монодисперсного потока в сечениях установки оптического пылемера связана с его конструктивными и технологическими особенностями, приводящими к снижению эффективности работы измерительно-контрольного устройства при наличии полидисперсных сред. Это связано с закономерностями прохождения сигнала оптического пылемера в потоках содержащих капли серной кислоты различной крупности. Процесс ослабления излучения запыленной газовой средой описывается законом ослабления Ланберта-Бугера-Бера. В качестве независимой переменной вводится массовая концентрация пыли С. В качестве величины определяющей степень ослабления излучения применяется коэффициент ослабления β_ом, нормированный на единицу массы контролируемого компонента.

, (м²/г) (1)

где

β_ос - коэффициент ослабления, нормированный на единицу объема контролируемого компонента;

ρ - плотность вещества (г/м³);

β_о - объемный коэффициент ослабления [м²/м³];

Х - размер одиночной частицы;

φ_n(x) - плотность распределения числа частиц по размерам;

K_o (Х) - безразмерный фактор эффективности ослабления частицы размером К;

k = 2π/λ, λ - длина волны облучающего света (мкм).

При движении потоков включающих в себя полидисперсную фазу капельной серной кислоты выражение (1) является нестационарной функцией, зависящей от различных факторов. В случае приведения потока к виду монодиcперcной среды выражение (1) значительно упрощается, так как φ_n(x) = =const, Х - не меняется во времени, Х = const и, соответственно, коэффициент β_ом не зависит, в исследуемом сечении, от изменения параметров газового потока во времени.

, (м^-1) (2)

, (м^-1) (3)

Переход от выражений (2) и (3) к зависимости (1) возможен при замене в законе ослабления (4) объемной концентрации массовой концентрацией С (5).

(4)

где

Ф_ос - ослабленный поток излучения (мм);

Ф_о - облучающий поток (мм);

L - толщина слоя ослабляющей среды (м);

μ - относительная объемная концентрация контролируемого компонента (м³/м³).

(5)

С учетом (4) в законе (5) необходимо показатель степени при е умножить и разделить на плотность вещества частиц:

(6)

С учетом вышеприведенного переходим к выражению (1).

Вывод: Эффективность работы оптического пылемера зависит от степени дисперсности потока и его применение для определения и контроля концентрации паров и капель серной кислоты возможно лишь при соответствующем формировании монодисперсного потока.

Установленная связь между концентрацией серной кислоты, двуокиси серы и сернистого ангидрида на входе в выбросную (санитарную) трубу и температурным и динамическим режимом работы отдельных участков и узлов сернокислотного производства предприятий цветной металлургии определяет необходимость непрерывного и высокоточного измерения концентрации сернистых компонентов. Применение, в качестве измерительного устройства, оптического пылемера требует подготовки монодисперсного потока на рабочем участке измерения. Формирование монодисперсных потоков требует разработки и создания устройств, позволяющих переводить полидисперсные двухфазные потоки в монодисперсные, за счет переформирования в них полей скоростей и давлений. Подобное распределение характеризует закрученные потоки с непрерывным распределением массы по пути их движения.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Давыдов Ю.Ф., Седелев В.А., Вишняков С.Н. Применение сепараторов двухфазных потоков для непрерывного контроля концентрации паров серной кислоты // Вестник ВКТУ. – 2000. - № 1. – с.85-89.