Способ обработки кислородсодержащих газов и установка для его осуществления

 

Использование: экология и химическая технология, может быть использовано для очистки отходящих газов, получения газа-восстановителя или энергоносителя и кислорода. Сущность изобретения: кислородсодержащим газом обдувают при остаточном давлении 760 - 300 мм рт.ст. поверхность слоя расплавленной закиси железа, откачивают образующиеся продукты восстановления, а образовавшуюся расплавленную магнитную окись железа подвергают вакуумированию до остаточного давления не ниже 100 мм рт.ст. и при температуре расплава 2200 - 1600^oC, преимущественно 1700 - 1900^oC, при этом расплавы на обеих стадиях подвергают непрерывной турбулизации. Процессы восстановления и термического разложения проводят в установке, содержащей два обогреваемых футерованных аппарата, в полостях которых размещены распределительные трубы с прикрепленными к ним снизу под углом соплами, соединенные через коллектор с подводящим трубопроводом с клапанами для поочередной подачи кислородсодержащего газа, штуцеры вывода газообразных продуктов соединены попарно с общим трубопроводом, снабженным клапанами для поочередного соединения с линией теплообменник - источник разрежения, при этом аппараты снабжены устройствами для турбулизации расплава. 2 с. и 2 з. п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к химической технологии и может быть использовано для получения восстановительных газов и кислорода.

Известен способ обработки кислородсодержащих газов, содержащих например, окислы азота, путем их контактирования с природным газом при Т 700 - 730^oC в присутствии катализатора (Андреев Ф. А. и др. Технология связанного азота. Химия, 1974, с. 384). При этом окислы азота, содержащиеся в кислородсодержащем газе, восстанавливаются до молекулярного азота.

Способ осуществляется на установке, содержащей теплообменник для подогрева исходных кислородсодержащих газов, камеру сгорания для сжигания природного газа и реактор, загруженный катализатором, для осуществления восстановления окислов азота природным газом.

Недостаток известного способа и установки состоит в расходовании больших количеств природного газа на восстановление окислов азота, низкой производительности и КПД установки.

Наиболее близким к предлагаемому является известный способ обработки кислородсодержащих газов, преимущественно двуокиси углерода и-или водяного пара, и содержащих небольшие количества окислов азота, включающий их контактирование с расплавленным щелочным манганатом при Т 200 600^oC и термического разложения образовавшегося многокомпонентного расплава на щелочной манганат для повторного его использования при контрактировании (заявка ФРГ N 2307619, кл. В 01 D 53/14).

Способ осуществляется на установке, содержащей два реакционных аппарата со штуцерами ввода и вывода газообразных продуктов, в которых осуществляется контактирование кислородсодержащих газов с расплавленным щелочным манганатом и термическое разложение образовавшегося расплава с получением щелочного манганата, теплообменники для охлаждения отходящих газов, соединенные с трубопроводами для вывода газов из аппаратов, соединительный и подводящий трубопроводы.

Недостаток известного способа состоит в его невысокой эффективности при обработке кислородсодержащего газа восстановлению подвергается лишь небольшая его часть (окислы азота), в то время как основная его часть (двуокись углерода и водяной пар) в процессе обработки не подвергаются переработке в полезные продукты и в таком виде удаляются из аппарата.

Недостаток установки состоит в том, что процесс термического разложения многокомпонентного расплава до его первоначального состояния осуществляется в две стадии, каждая из которых отличается сложностью в осуществлении протекающих в ней процессов и невысокими скоростями, низкой производительностью и КПД.

Для устранения отмеченных недостатков известного способа предлагается в качестве реагента при контактировании использовать расплавленную закись железа, контактирование осуществлять путем ее обдувки исходными газами при остаточном давлении 760 300 мм рт.ст. с получением расплавленной магнитной окиси железа, разложение которой проводят при температуре расплава 1600 - 2200^oC и при остаточном давлении не ниже 100 мм рт.ст. при этом обе стадии осуществляют при непрерывной турбулизации расплавов.

Использование в качестве реагента при контактирования с кислородсодержащими газами, преимущественно двуокисью углерода и-или водяным паром, расплавленной закиси железа обеспечит их восстановление с получением полезных продуктов окиси углерода и водорода. Эти процессы осуществляются по уравнениям 3 FeO + CO₂ Fe₃O₄ + CO (1) 3 FeO + H₂O Fe₃O₄ + H₂ (2) Обдувка кислородсодержащими газами, двуокисью углерода и-или водяным паром, слоя расплавленной закиси железа обеспечит большую поверхность контакта взаимодействующих фаз, высокую степень окисления закиси железа, и, как следствие, высокий выход продуктов реакции окиси углерода и водорода.

Высокие температуры процесса (1400 1600^oC) обеспечат высокую скорость взаимодействия расплавленной закиси железа с исходными газами, при этом время контактирования будет исчисляться секундами.

Осуществление процесса при остаточном давлении 760 300 мм рт.ст позволит с высокой эффективностью откачивать образующиеся продукты восстановления и исключить их повторное взаимодействие с расплавами.

Разложение образовавшейся расплавленной магнитной окиси железа проводят при Т 1600 2200^oC и при остаточном давлении не ниже 100 мм рт.ст. при этом образуется расплавленная закись железа, для повторного использования на стадии контактирования, и выделяется кислород в виде товарного продукта. Процесс разложения осуществляется по уравнению Fe₃O₄_ 3 FeO + 1/2 O₂ (3) Fe₃ ---> 3 Fe + 1/2 O₂ (3) В этих условиях обеспечивается высокая степень и скорость разложения расплавленной магнитной окиси железа, и, как следствие, высокая производительность.

Для обеспечения взаимодействия с исходными газами максимально возможных количества расплавленной закиси железа и ускорения извлечения кислорода из расплавленной магнитной окиси железа в способе предусмотрена непрерывная турбулизация расплавов, осуществляемая известными устройствами, например, устройствами для электромагнитного перемешивания расплавов. С помощью турбулизации осуществляется непрерывное обновление поверхности расплавов, вследствие чего происходит непрерывная обдувка кислородсодержащим газом поверхности слоя расплавленной закиси железа, поднимающейся наверх из нижележащих неокисленных слоев и значительно облегчаются условия отщепления кислорода из непрерывно перемешиваемых слоев расплавленной магнитной окиси железа.

П р и м е р 1. 14830 нм³/ч водяного пара при Т 250^oC и при атмосферным давлении подали через керамические трубы сверху под углом на поверхность слоя расплавленной закиси железа в количестве 1,2 т, имеющей температуре 1480^oC, расположенной в виде слоя толщиной 60 мм в футерованном аппарате с электрообогревом, снабженным устройством для электромагнитного перемешивания. В результате обдувки в течение 25 с слоя расплавленной закиси железа при остаточном давлении и аппарата 600 мм рт.ст. при непрерывном перемешивании расплава получили 1,38 т расплавленной магнитной окиси железа в 102 нм³ газа, содержащего 72 водорода и 28 непрореагировавшего водяного пара, который после охлаждения и конденсации водяного пара с помощью компрессора откачали на использование.

После полной откачки продуктов восстановления в аппарате включили нагреватели, подняли температуру до 1700^oC, создали разрежение 200 мм рт.ст. и через клапан выхода кислорода (при закрытых клапанах входа водяного пара и выхода продуктов восстановления) в течение 25 с откачивали с помощью вакуум-насоса через теплообменник кислород, количество которого составило 51 нм³. При этом образовалось 1,2 т расплавленной закиси железа. После откачки кислорода из аппарата клапан выхода кислорода закрыли, открыли клапаны входа водяного пара и выхода продуктов восстановления и снова обдули расплав закиси железа.

П р и м е р 2. По примеру 1 в аппарат, загруженный тем же количеством расплава закиси железа, при Т 300^oC и атмосферном давлении подали 13800 нм³/ч двуокиси углерода. Остаточное давление в аппарате составило 550 мм рт. ст. После обдувки в течение 30 с поверхности слоя расплавленной закиси железа получили 115 нм³ газа, содержащего 74 окиси углерода и 26 непрореагировавшей двуокиси углерода. После полного удаления продуктов восстановления на охлаждение и использование клапаны подачи двуокиси углерода и выхода продуктов восстановления закрыли, открыли клапан выхода кислорода, с помощью нагревателей подняли температуру до 1800^oC, создали разрежение 300 мм рт.ст. и в течение 30 с осуществляли откачку кислорода, количество которого составило 57 нм³. После полной откачки кислорода снова осуществляли подачу двуокиси углерода на слой расплавленной закиси железа.

Такие контакты двуокиси углерода и/или водяного пара с расплавленной закисью железа и термическое разложение образовавшейся расплавленной магнитной окиси железа проводят попеременно, обеспечивая, как видно из примеров, высокие скорости и степени восстановления двуокиси углерода и/или водяного пара.

Следует отметить, что обработке могут быть подвергнуты не только двуокись углерода или водяной пар, но и другие кислородсодержащие газы, например окислы азота, воздух, двуокись серы.

Способ реализуется на установке, изображенной на чертеже.

Принцип работы установки состоит в том, что для осуществления непрерывности обеих стадий установка содержит два аппарата, поочередно осуществляющие стадии контактирования кислородосодержащего газа с расплавленной закисью железа и термическое разложение расплавленной магнитной окиси железа.

Установка содержит два реакционных футерованных аппарата 1 и 21 с электрообогревом, в полости которых установлены распределительные трубы 2 и 22 с прикрепленными к ним снизу под углом соплами 3 и 23, соединенными через коллекторы 4 и 24 с подводящим трубопроводом с клапанами 5 и 25 для поочередной подачи кислородсодержащего газа, снабженные расплавами закиси и магнитной окиси железа 6 и 26 и устройствами для их турбулизации (не показаны). Аппараты снабжены патрубками 8 и 28 с клапанами 7 и 27 для поочередного вывода кислорода, соединенные с теплообменником 40 и источником разрежения 41, штуцерами 9 и 29 с клапанами 11 и 31 для поочередного вывода продуктов восстановления кислородсодержащего газа, соединенные последовательно с теплообменником 42 и компрессором 43.

Установка работает следующим образом.

Кислородсодержащий газ, например двуокись углерода, с температурой 300^oC и атмосферным давлением подали по подводящему трубопроводу через клапан 5 в коллектор 4, расположенный снаружи футерованного аппарата 1. Из коллектора двуокись углерода направляли в распределительные трубы 2, расположенные по всему сечению аппарата, откуда через сопла 3, расположенные снизу под углом, подали на поверхность слоя расплавленной закиси железа, имеющей температуру 1500^oC.

Выходя из сопел 3, двуокись углерода дросселируется, обдувает поверхность слоя расплавленной закиси железа, восстанавливается до окиси углерода, после чего продукты восстановления через клапан 11, пройдя теплообменник 42, с помощью компрессора 43 с остаточным давлением 600 мм рт.ст. откачиваются из аппарата 1 для использования. Для непрерывного обновления поверхности расплавленной закиси железа осуществляется непрерывная турбулизация с помощью устройства для электромагнитного перемешивания.

Одновременно с восстановлением в аппарате 1 двуокиси углерода в аппарате 21 осуществляется термическое разложение расплавленной магнитной окиси железа, для чего с помощью нагревателей подняли температуру до 1800^oC, с помощью вакуум-насоса 41 установили разрежение в аппарате до остаточного давления 300 мм рт.ст. а непрерывную турбулизацию осуществляли также с помощью электромагнитного перемешивания. Выделившийся кислород через патрубок 28, клапан 27, теплообменник 40 с помощью вакуум-насоса 41 откачивали из аппарата 21 на использование.

После полной откачки кислорода из аппарата 21 клапан 27 автоматически закрывался, клапаны 25 и 31 автоматически открывались и в аппарате 21 осуществлялось восстановление двуокиси углерода расплавленной закисью железа, аналогичное описанному для аппарата 1.

Одновременно с этим в аппарате 1 осуществлялось термическое разложение расплавленной магнитной окиси железа, для чего клапаны 5 и 11 автоматически закрывались, клапан 7 автоматически открывался и осуществлялось термическое разложение, аналогичное описанному для аппарата 21.

Такие чередующиеся циклы происходят непрерывно, обеспечивая непрерывное восстановление кислородсодержащего газа, в данном случае двуокиси углерода, расплавленной закисью железа, и термическое разложение расплавленной магнитной окиси железа.

В качестве футерованных аппаратов могут быть использованы вакуумные индукционные или дуговые печи с электромагнитным перемешиванием расплавов. В качестве источника разрежения могут быть использованы компрессоры или вакуум-насосы.

Новый технический эффект изобретения интенсификация процесса обработки кислородсодержащих газов за счет более высокой производительности и КПД.

Применимость изобретения состоит в получении при обработке кислородсодержащих газов полезных продуктов.

Формула изобретения

1. Способ обработки кислородсодержащих газов, включающий их контактирование с расплавленным реагентом и термическое разложение расплава для повторного использования, отличающийся тем, что в качестве реагента при контактировании используют расплавленную закись железа, контактирование осуществляют путем ее обдувки исходными газами при остаточном давлении 760 - 300 мм рт. ст. с получением расплавленной магнитной окиси железа, разложение которой проводят при температуре расплава 1600 2200^oС и при остаточном давлении не ниже 100 мм рт.ст. при этом обдувку и термическое разложение осуществляют при непрерывной турбулизации расплавов.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что термическое разложение ведут при 1700 1900^oС.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что обработке подвергают двуокись углерода и/или водяной пар.

4. Установка для обработки кислородсодержащих газов, содержащая два реакционных футерованных аппарата со штуцерами ввода и вывода газообразных продуктов, теплообменники, соединенные с трубопроводами для вывода газа из аппаратов, соединительный и подводящий трубопроводы, отличающаяся тем, что она снабжена источником разрежения и приспособлениями для турбулизации расплава, установленными в каждом аппарате, при этом в каждом аппарате установлены дополнительные патрубки для отвода газообразных продуктов реакции, соединенные трубопроводом с теплообменником и источником разрежения, в каждом аппарате установлена распределительная труба с соплами, каждая из которых через коллекторы и клапаны для поочередной подачи газа в каждый из аппаратов соединена с подводящим трубопроводом, на каждом из отводящих трубопроводов установлены клапаны для поочередного соединения с теплообменниками и источником разрежения и сопла каждой трубы закреплены снизу под углом к оси трубы.

РИСУНКИ

Рисунок 1