СПОСОБ ОБРАБОТКИ КИСЛОРОДСОДЕРЖАЩИХ ГАЗОВ И УСТАНОВКА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2018 года по МПК B01D53/34 

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

Известен способ обработки кислородсодержащих газов, преимущественно водяного пара и/или диоксида углерода, содержащих небольшие количества оксидов азота, включающий их контактирование с расплавленным щелочным манганатом при 200-600°С и термическое разложение образовавшегося многокомпонентного расплава на щелочной манганат для повторного использования на стадии контактирования, об этом см., например, заявку ФРГ №2307619 кл. В01D 53/14, 1975 г.

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 невысокой его эффективности: при обработке кислородсодержащих газов восстанавливаются лишь оксиды азота, а водяной пар и диоксид углерода не подвергаются переработке в полезные продукты и в таком виде удаляются из аппарата.

Недостаток известной установки состоит в том, что процесс термического разложения многокомпонентного расплава до его первоначального состояния осуществляется в две стадии, каждая из которых отличается низкой производительностью и КПД.

Известен способ обработки кислородсодержащих газов, в частности водяного пара и/или диоксида углерода, включающий стадию контактирования исходных газов с расплавленной закисью железа, подаваемых на нее сверху, и стадию термического разложения образовавшейся расплавленной магнитной окиси железа с получением расплавленной закиси железа для повторного использования на стадии контактирования, об этом см., например, патент РФ №2065763, кл. МПК 7, В01D 53/34, 1992 г.

Контактирование расплавленной закиси железа с кислородсодержащими газами ведут при остаточном давлении 760-300 мм рт.ст. по реакциям:

При этом выделяются водород или оксид углерода и образуется расплавленная магнитная окись железа, термическое разложение которой осуществляют при температуре расплава 1600-2200°С и при остаточном давлении не ниже 100 мм рт.ст. При этом образуется расплавленная закись железа и выделяется кислород:

По окончании разложения на образовавшуюся расплавленную закись железа снова подают кислородсодержащие газы и такие процессы осуществляют поочередно в одном реакционном объеме при непрерывной турбулизации расплавов, например, с помощью их электромагнитного перемешивания, обеспечивая в качестве товарных продуктов восстановительные газы и кислород. При этом термическое разложение расплавленной магнитной окиси железа в известном способе осуществляют электрическим или индукционным нагревом расплава.

Известный способ осуществляется на установке, содержащей два реакционных футерованных аппарата цилиндрической формы, снабженных источниками нагревания и устройствами для турбулизации расплавов, в каждом аппарате установлены патрубки и штуцеры для отвода газообразных продуктов реакций, соединенные трубопроводами с теплообменниками и источниками разрежения, в каждом аппарате установлены распределительные трубы с закрепленными снизу под углом к оси каждой трубы соплами, каждая из которых через коллекторы и клапаны для поочередной подачи кислородсодержащего газа в каждый из аппаратов соединена с подводящим трубопроводом, на каждом из отводящих трубопроводов установлены клапаны для поочередного соединения с теплообменниками и источниками разрежения. При этом источник нагревания выполнен в виде электрических или индукционных нагревателей.

Известный способ расширяет область применения - переработке подвергаются водяной пар и диоксид углерода. При этом на обеих стадиях производятся полезные продукты - на одной стадии кислород, на другой - восстановительные газы. При этом высокие температуры на обеих стадиях обеспечивают, наряду с высокой скоростью осуществленния процессов, высокие степени переработки кислородсодержащих газов, и, как следствие, более высокие производительности обеих стадий.

Известная установка для обработки кислородсодержащих газов отличается простотой технологической схемы по сравнению с установкой аналога, более высокой призводительностью и КПД.

Известный способ обработки кислородсодержащих газов и установка для его осуществления являются наиболее близкими заявляемым по характеризующим признакам и достигаемому результату.

Недостаток известного способа и установки состоит в ограниченной производительности и сложности осуществления процессов.

Этот недостаток обусловлен тем, что контактирование и термическое разложение осуществляют с расплавами небольшой толщины их слоев (60 мм) и коротким временем, затрачиваемым на осуществление каждой стадии, порядка 25-30 сек, что ограничивает производительность известного способа и установки. При этом частые переключения каждой стадии из одного аппарата в другой, более 100 в час, усложняют осуществление процесса и снижают его КПД.

Для устранения отмеченных недостатков известного способа контактированию и термическому разложению подвергают слои расплавов толщиной 100-300 мм, а каждую стадию осуществляют в течение 1-6 мин.

Другое отличие состоит в том, что термическое разложение осуществляют солнечными, электронными или лазерными лучами.

Способ осуществляют в установке, в которой оба аппарата выполнены квадратной или прямоугольной формы. При этом оба аппарата в установке могут быть соединены между собой общей или своими стенками.

Подвергаемые контактированию и термическому разложению расплавы с толщиной их слоев 100-300 мм при непрерывном и многократном обновлении их слоев с помощью электромагнитного перемешивания обеспечат большее их количество при осуществлении обеих стадий, большее количество восстановительных газов и кислорода образуется, что обеспечит более высокую производительность заявляемому способу. При этом осуществление каждой стадии за больший промежуток времени от 1 до 6 мин обеспечит значительно меньшее по сравнению с известным способом количество переключений каждой стадии из одного аппарата в другой, что значительно упростит осуществление процесса и повысит его КПД.

Использование для термического разложения расплавленной магнитной окиси железа солнечных, электронных или лазерных лучей, обладающих высокой плотностью энергии, позволяющих за несколько секунд нагреть расплав до нужной температуры, обеспечит снижение электроэнергии и, как следствие, снижение себестоимости получаемых продуктов.

Использование аппаратов квадратной или прямоугольной формы позволит разместить большее количество расплавов по сравнению с аппаратами цилиндрической формы, что повысит их производительность, а соединение их общей или своими стенками обеспечит более компактное их расположение в установке.

Пример 1. 1300 нм³ диоксида углерода при Т=250° и при атмосферном давлении подавали через керамические сопла сверху под углом на расплавленную закись железа в количестве 12 т (2,1 м³), имеющую температуру 1480°С, расположенную в виде слоя толщиной 110 мм в футерованном аппарате, снабженном электронагревателями и устройством для электромагнитного перемешивания расплава. В результате взаимодействия диоксида углерода с поверхностными слоями расплавленной закиси железа при непрерывном электромагнитном перемешивании расплава в течение 2 мин при остаточном давлении в аппарате 700 мм рт.ст. получили 12,6 т (2,38 м³) расплава с толщиной слоя 125 мм, содержащего 8,4 т магнитной окиси железа и 4,2 т закиси железа, и газовую смесь, содержащую 810 нм³ оксида углерода и 490 нм³ непрореагировавшего диоксида углерода, которую после охлаждения откачивали компрессором на использование.

После полной откачки продуктов восстановления в том же аппарате включили электронагреватели, подняли температуру расплава до 1800°С, отключили нагрев и в течение 2 мин при остаточном давлении в аппарате 400 мм рт.ст. через клапан вывода кислорода (при закрытых клапанах ввода диоксида углерода и вывода восстановительного газа) и при непрерывном перемешивании расплава получили 405 нм³ кислорода, которые после охлаждения откачивали вакуум-насосом на использование. При этом образовалось 12 т расплавленной закиси железа. После полной откачки кислорода из аппарата клапан вывода кислорода закрыли, открыли клапаны ввода диоксида углерода и вывода продуктов восстановления и снова на расплав подали диоксид углерода.

В пересчете на часовую производительность при проведении обеих стадий поочередно в одном аппарате из 19500 нм³/час диоксида углерода получили в час: оксида углерода 12150 нм³, кислорода 6075 нм³.

Пример 2. 3800 нм³ водяного пара с Т=200° и под давлением 2 атм подавали через керамические трубки под углом на расплавленную закись железа в количестве 36 т (6,3 м³), имеющую температуру 1500°С, расположенную в виде слоя толщиной 220 мм в футерованном аппарате, снабженном вводами электронных лучей и устройством для электромагнитного перемешивания расплавов. В результате взаимодействия дросселируемого водяного пара с расплавленной закисью железа при непрерывном электромагнитном перемешивании расплава в течение 4 мин при остаточном давлении в аппарате 720 мм рт.ст. получили 37,8 т (7,1 м³) расплава с толщиной слоя 245 мм, содержащего 27 т магнитной окиси железа и 10,8 т закиси железа, выделялось 2600 нм³ водорода и 1200 нм³ непрореагировавшего водяного пара, после охлаждения и конденсации которого водород компрессором откачивали на использование.

После полной откачки водорода клапаны подачи водяного пара и вывода продуктов восстановления закрыли, открыли клапан вывода кислорода, открыли ввод подачи электронных лучей на расплав, подняли температуру расплава до 2000°С, отключили нагрев и в течение 4 мин при остаточном давлении в аппарате 500 мм рт.ст. и при непрерывном перемешивании расплава получили 1300 нм³ кислорода, который после охлаждения вакуум-насосом откачивали на использование. При этом образовалось 36 т расплавленной закиси железа. После полной откачки кислорода из аппарата клапан вывода кислорода закрыли, открыли клапан ввода водяного пара и вывода продуктов восстановления и снова на расплав закиси железа подали водяной пар.

В пересчете на часовую производительность при проведении обеих стадий поочередно в одном аппарате из 28500 нм³/час водяного пара получили в час: водорода - 19500 нм³, кислорода - 9750 нм³.

При этом осуществление обеих стадий поочередно в двух аппаратах позволит вдвое увеличить количество подаваемых кислородсодержащих газов, вдвое больше получить продуктов восстановления и кислорода, описанных в примерах 1 и 2.

Следует отметить, что обработке могут быть подвергнуты другие кислородсодержащие газы, например дымовые и отходящие газы ряда производств, содержащие диоксид углерода, водяной пар, оксиды азота, воздух и паровоздушные смеси.

Способ реализуется на установке, изображенной на чертеже. Принцип работы установки состоит в том, что для осуществления непрерывности обеих стадий установка содержит два аппарата, в которых поочередно осуществляются стадии контактирования кислородсодержащего газа с расплавленной закисью железа и термического разложения расплавленной магнитной окиси железа.

Установка содержит два реакционных футерованных аппарата квадратной формы 1 и 21, соединенных между собой своими стенками, снабженными индукционными нагревателями (не показаны), в полости которых установлены распределительные трубы 2 и 22 с прикрепленными к ним снизу под углом соплами 3 и 23, соединенные 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 турбулизации расплавов (не показаны). Аппараты снабжены патрубками 8 и 28 с клапанами 7 и 27 для поочередного вывода кислорода, соединенные с теплообменнником 31 и вакуум-насосом 32, штуцерами 9 и 29 с клапанами 10 и 30 для поочередного вывода продуктов восстановления кислородсодержащего газа, соединенные последовательно с теплообменником 11 и компрессором 12.

Установка работает следующим образом.

Кислородсодержащий газ, например водяной пар, с температурой 250°С и под давлением 2,5 атм подавали по подводящему трубопроводу через клапан 5 в коллектор 4, расположенный снаружи футерованного аппарата 1. Из коллектора водяной пар направляли в распределительные трубы 2, размещенные по всему сечению аппарата, откуда он через сопла 3, расположенные снизу под углом к оси каждой трубы, поступал сверху под углом на слой расплавленной закиси железа 6.

Выходя из сопел 3, водяной пар резко нагревался и дросселировался, увеличивая свой объем, интенсивно контактировал с турбулизуемыми и обновляемыми слоями расплавленной закиси железа с помощью электромагнитного перемешивания расплава, восстанавливаясь до водорода, после чего продукты восстановления через штуцер 9 и клапан 10, пройдя теплоообменник 11, при остаточном давлении 700 мм рт.ст. компрессором 12 откачивались из аппарата 1 на использование.

Одновременно с восстановлением в аппарате 1 водяного пара в аппарате 21 осуществлялось термическое разложение расплавленной магнитной окиси железа, для чего с помощью индукционных нагревателей подняли температуру до 1900°С, отключили нагрев, с помощью вакуум-насоса 32 установили разрежение в аппарате до остаточного давления 450 мм рт.ст. и при непрерывной турбулизации слоев расплавленной магнитной окиси железа с помощью их электромагнитного перемешивания осуществляли ее термическое разложение. Выделяющийся кислород через патрубок 28, клапан 27, теплообменник 31 вакуум-насосом 32 откачивали на использование. После полной откачки кислорода из аппарата 21 клапан 27 автоматически закрывался, клапаны 25 и 30 автоматически открывались и в аппарате 21 осуществлялось восстановление водяного пара 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 10 автоматически закрывались, клапан 7 автоматически открывался, включались индукционные нагреватели и в аппарате осуществлялось термическое разложение, аналогичное описанному в аппарате 21.

Такие чередующиеся процессы происходят непрерывно, обеспечивая непрерывное восстановление кислородсодержащих газов, в данном случае водяного пара, расплавленной закисью железа и термическое разложение расплавленной магнитной окиси железа.

Следует отметить, что прямоугольные или квадратные аппараты в заявленной установке могут быть расположены не только соединенными общей или своими стенками, но, как и в установке прототипа, отдельно друг от друга.

В качестве источника нагревания для термического разложения расплавленной магнитной окиси железа могут быть использованы высокочастотные электрические и индукционные нагреватели как косвенного, так и прямого действия, а также солнечные печи, электронно-лучевые и лазерные генераторы, а для турбулизации расплавов могут также быть использованы устройства для ультразвукового или вибрационного перемешивания.

Новый технический эффект изобретения состоит в увеличении производительности и КПД. Этот эффект причинно связан с отличительными признаками заявляемого изобретения: стадии контактирования и термического разложения проводят с расплавами закиси и магнитной окиси железа с толщиной их слоев 100-300 мм, а время осуществления каждой стадии составляет 1-6 мин. При этом термическое разложение расплавленной магнитной окиси железа проводят также солнечными, электронными или лазерными лучами, обе стадии проводят на установке в аппаратах квадратной или прямоугольной формы, расположенных раздельно или соединенных между собой общей или своими стенками.

Изобретение относится к области химической технологии, а именно к способу и установке для обработки кислородсодержащих газов, в частности водяного пара и/или диоксида углерода. Способ включает контактирование расплавленной закиси железа, расположенной в виде слоя толщиной 100-300 мм, с исходными газами, подаваемыми на нее сверху, и термическое разложение образовавшейся расплавленной магнитной окиси железа при температуре расплава 1600-2200°С. При этом обе стадии проводят поочередно и при непрерывной турбулизации расплавов и каждую стадию осуществляют в течение 1-6 мин. Установка содержит два реакционных футерованных аппарата квадратной или прямоугольной формы, снабженных источниками нагревания и устройствами для турбулизации расплавов, в которых поочередно проводят стадии контактирования и разложения, при этом в каждом аппарате установлены распределительные трубы с соплами, соединенные через коллекторы с подводящим трубопроводом, имеющим клапаны, а также патрубки и штуцеры для отвода газообразных продуктов реакции. Изобретение обеспечивает увеличение производительности и КПД. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 1 ил., 2 пр.

1. Способ обработки кислородсодержащих газов, в частности водяного пара и/или диоксида углерода, включающий стадию контактирования исходных газов с расплавленной закисью железа, подаваемых на нее сверху, при остаточном давлении 760-300 мм рт. ст и стадию термического разложения образовавшейся расплавленной магнитной окиси железа при температуре расплава 1600-2200°С и при остаточном давлении не ниже 100 мм рт. ст. на расплавленную закись железа для повторного ее использования на стадии контактирования, при этом обе стадии проводят поочередно в одном реакционном объеме и при непрерывной турбулизации расплавов, отличающийся тем, что контактированию и термическому разложению подвергают слои расплавов толщиной 100-300 мм, а каждую стадию осуществляют в течение 1-6 мин.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что термическое разложение осуществляют солнечными, электронными или лазерными лучами.

3. Установка для обработки кислородсодержащих газов для осуществления способа по п. 1, содержащая два реакционных футерованных аппарата, снабженных источниками нагревания и устройствами для турбулизации расплавов, в каждом аппарате установлены патрубки и штуцеры для отвода газообразных продуктов реакции, соединенные трубопроводами с теплообменниками и источниками разрежения, в каждом аппарате установлены распределительные трубы с закрепленными снизу под углом к оси каждой трубы соплами, каждая из которых через коллекторы и клапаны для поочередной подачи кислородсодержащего газа в каждый из аппаратов соединена с подводящим трубопроводом, на каждом из отводящих трубопроводов установлены клапаны для поочередного соединения с теплообменниками и источниками разрежения, отличающаяся тем, что оба аппарата выполнены квадратной или прямоугольной формы.

4. Установка по п. 3, отличающаяся тем, что оба аппарата соединены между собой общей или своими стенками.