Способ удаления капель аэрозоля
Группа изобретений относится к способу и устройству для удаления аэрозолей, включающему два каплеуловителя, открытый инерционный каплеуловитель и менее открытый коалесцирующий каплеуловитель. Более конкретно, относится к способу, используемому для удаления паров серной кислоты, и технологической установке для конденсации серной кислоты, а также технологической установке для производства серной кислоты. Способ удаления аэрозоля включает стадию охлаждения технологического газа, стадии направления технологического газа, содержащего аэрозоль, для контакта с инерционным каплеуловителем, обеспечивающим первый подвергнутый каплеулавливанию технологический газ, и направления первого подвергнутого каплеулавливанию технологического газа для контакта с коалесцирующим каплеуловителем, обеспечивающим второй подвергнутый каплеулавливанию технологический газ. Первый инерционный каплеуловитель является более открытым, чем коалесцирующий каплеуловитель. Более открытый определяется как имеющий более высокую долю пустого пространства или более низкую плотность, со связанным преимуществом такого способа, обеспечивающим эффективное удаление большого объема жидкости из инерционного каплеуловителя, избегая при этом затопления системы каплеуловителей. Технологический газ, входящий в каплеуловитель, имеет содержание аэрозоля более 5000 масс. частей на миллион. Также изобретение относится к технологической установке для получения серной кислоты, применяя вышеуказанную пару каплеуловителей. Группа изобретений обеспечивает удаление аэрозоля из потока газа с использованием каплеуловителя, который избегает риска затопления и обеспечивает повышенную эффективность каплеуловителя. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 4 ил., 2 табл., 3 пр.
Настоящее изобретение относится к способу удаления аэрозолей, включающему два каплеуловителя, открытый инерционный каплеуловитель и менее открытый коалесцирующий каплеуловитель. Более конкретно, способ относится к такому способу, используемому для удаления паров серной кислоты, и технологической установке для конденсации серной кислоты, а также технологической установке для производства серной кислоты.
В химических процессах удаление аэрозолей является обычной отдельной операцией. Капли аэрозоля достаточно маленькие и легкие, чтобы они могли быть унесены вместе с потоком технологического газа. В таких процессах обычной практикой является превращение маленьких капель аэрозоля в более крупные капли путем направления их в коалесцирующий каплеуловитель, который вызывает агломерацию капель до размера и массы, облегчающих их сбор, например, в открытом инерционном каплеуловителе. Когда количество капель аэрозоля в газе велико, в каплеуловитель будет собираться большой объем жидкости, что может привести к нисходящему потоку жидкости, блокирующему восходящий поток газа. Это явление называется затоплением и может быть весьма проблематичным для работы каплеуловителя.
Особенно, когда каплеуловитель является плотным, затопление будет происходить при более низкой загрузке жидкости и/или скорости газа в каплеуловителе, поскольку уменьшенное пустое пространство каплеуловителя также приводит к меньшему объему для нисходящего потока конденсированной жидкости и более высоким скоростям восходящего газа внутри каплеуловителя, и поэтому, как правило, безопаснее эксплуатировать каплеуловители ниже так называемого предела затопления.
Авторы настоящего изобретения определили, что повышенная эффективность каплеуловителя может быть достигнута, если капли захватываются в открытом инерционном каплеуловителе перед более полным удалением в менее открытом коалесцирующем каплеуловителе. Таким образом, нисходящая жидкость, захваченная в начальной части каплеуловителя, будет иметь меньшую площадь поперечного сечения, блокируемую материалом каплеуловителя. Это приводит к тому, что конечный коалесцирующий каплеуловитель может быть еще более плотным, поскольку большая часть жидкости уже была удалена.
Одним важным применением настоящего изобретения является удаление серной кислоты из потока газа. Серная кислота может быть получена гидратацией SO3 с последующей конденсацией H2SO4, например, посредством хорошо известного процесса WSA. В этом процессе конденсатор и каплеуловитель должны быть тщательно спроектированы, чтобы сбалансировать требования к полному выходу серной кислоты и эффективному удалению паров кислоты. Это требует разработки каплеуловителей, способных работать при высоких уровнях аэрозоля, избегая при этом затопления и в то же время обеспечивая эффективный захват мелких частиц.
В JP 2011020026 раскрыт способ удаления влаги из потока газа путем сушки концентрированной серной кислотой. Способ предназначен для комбинации вымывания и замены каплеуловителей, когда они блокируются осаждением элементарной серы, и для этой цели первый каплеуловитель является более открытым, чем второй. Патент не относится к вопросам затопления чрезмерным количеством конденсированной жидкости.
US 2006207234 относится к конструкции масляных фильтров, где поверхность фильтра использует конструкцию поверхностного натяжения для оптимизации функции фильтра. Нет указания того, что затопление является проблемой, и нет конкретного описания стратегий, позволяющих избежать затопления.
EP 2708274 относится к конструкции окислительных фильтров выхлопного газа, в которых происходит нагрев каплеуловителей для облегчения окисления топлива и твердых частиц. Хотя патент описывает риск образования водной пленки, он не рассматривает проблему затопления.
В приведенном выше уровне техники не уточняется количество аэрозолей в газе, содержащем аэрозоль, но исходя из характера приведенных примеров, оценивается, что во всех случаях оно ниже 1000 мас. частей на миллион, и, таким образом, не связано с процессами, при которых существует риск затопления каплеуловителя.
В контексте настоящего изобретения аэрозоль должен быть истолкован как маленькие капли, содержащиеся в газе, где силы сопротивления, прилагаемые газом вокруг капель, по существу балансируют силу тяжести на каплях. Как правило, диаметр капли аэрозоля будет ниже 25 мкм.
В контексте настоящего изобретения каплеуловитель должен быть истолкован как материал, открытый для потока, который вызывает удаление капель и снижает концентрацию аэрозоля в газе, выходящем из каплеуловителя.
В контексте настоящего изобретения инерционный каплеуловитель должен быть истолкован как каплеуловитель, имеющий пустое пространство и структуру, вызывающую снижение концентрации аэрозоля, в котором доминирует механизм инерции капель, то есть капли падают на поверхности материала каплеуловителя и образуют жидкую пленку, которая в конечном итоге стекает под действием силы тяжести.
В контексте настоящего изобретения коалесцирующий каплеуловитель должен быть истолкован как каплеуловитель, имеющий пустое пространство и структуру, вызывающую снижение концентрации аэрозоля с преобладанием механизма увеличения размера капель.
Поскольку механизм каплеуловителя связан с количеством аэрозолей и тепловыми условиями в способе, определение того, является ли каплеуловитель инерционным каплеуловителем или коалесцирующим каплеуловителем должно зависеть от конкретных условий способа. Однако инерционный каплеуловитель всегда будет более открытым, чем коалесцирующий каплеуловитель, что определяется по меньшей мере одним из доли пустого пространства или плотности.
В контексте настоящего изобретения конденсируемое содержание в газе при ряде условий следует понимать как объем (или массу) жидкости после конденсации относительно объема (или массы) газа до конденсации.
Настоящее раскрытие относится к способу удаления аэрозоля, включающему стадии направления технологического газа, содержащего аэрозоль, для контакта с инерционным каплеуловителем, обеспечивающим первый подвергнутый каплеулавливанию технологический газ, и направления первого подвергнутого каплеулавливанию технологического газа для контакта с коалесцирующим каплеуловителем, обеспечивающим второй подвергнутый каплеулавливанию технологический газ, характеризующемуся тем, что указанный первый инерционный каплеуловитель является более открытым, чем указанный коалесцирующий каплеуловитель, где более открытый определяется как имеющий более высокую долю пустого пространства или более низкую плотность со связанным преимуществом такого способа, обеспечивающим эффективное удаление большого объем жидкости из инерционного каплеуловителя, избегая при этом затопления системы каплеуловителей.
Согласно широкому варианту осуществления настоящее изобретение относится к способу удаления аэрозоля, включающему стадии направления технологического газа, содержащего аэрозоль, для контакта с инерционным каплеуловителем, обеспечивающим первый подвергнутый каплеулавливанию технологический газ, и направления первого подвергнутого каплеулавливанию технологического газа для контакта с коалесцирующим каплеуловителем, обеспечивающим второй подвергнутый каплеулавливанию технологический газ, отличающемуся тем, что указанный первый инерционный каплеуловитель является более открытым, чем указанный коалесцирующий каплеуловитель, где более открытый определяется как имеющий более высокую долю пустого пространства или более низкую плотность и технологический газ, входящий в каплеуловитель, имеет содержание аэрозоля, составляющее более 5000 мас. частей на миллион, 10000 мас. частей на миллион или 20000 мас. частей на миллион, со связанным преимуществом такого способа, обеспечивающим эффективное удаление большого объем жидкости из инерционного каплеуловителя, избегая при этом затопления системы каплеуловителей. Настоящее изобретение должно также охватывать способы, в которых применяется по меньшей мере два каплеуловителя, если два из этих каплеуловителей применяются в конфигурации, как описано выше.
Согласно другому варианту осуществления указанный инерционный каплеуловитель имеет долю пустого пространства более 0,90 и долю пустого пространства менее 0,99, 0,96 или 0,94, со связанным преимуществом такого способа, обеспечивающим эффективное удаление в инерционном каплеуловителе, избегая затопления коалесцирующего каплеуловителя.
Согласно другому варианту осуществления указанный коалесцирующий каплеуловитель имеет долю пустого пространства более 0,60, 0,75 или 0,82 и долю пустого пространства менее 0,90, со связанным преимуществом такого способа, обеспечивающим высоко эффективное удаление в коалесцирующем каплеуловителе.
Согласно другому варианту осуществления указанный инерционный каплеуловитель имеет плотность более 30 кг/м3, 60 кг/м3 или 80 кг/м3 и плотность менее 100 кг/м3, 120 кг/м3 или 160 кг/м3, со связанным преимуществом такого способа, обеспечивающим эффективное удаление в инерционном каплеуловителе, избегая затопления коалесцирующего каплеуловителя.
Согласно другому варианту осуществления указанный коалесцирующий каплеуловитель имеет плотность более 170 кг/м3, 180 кг/м3 или 200 кг/м3 и плотность менее 300 кг/м3, 350 кг/м3 или 500 кг/м3, со связанным преимуществом такого способа, обеспечивающим высоко эффективное удаление в коалесцирующем каплеуловителе.
Согласно другому варианту осуществления соотношении либо между долей пустого пространства коалесцирующего каплеуловителя и долей пустого пространства инерционного каплеуловителя составляет более 0,6, 0,75 или 0,80 и менее 0,99, 0,96 или 0,92, со связанным преимуществом такого способа, обеспечивающим хороший баланс между удалением основной части в инерционном каплеуловителе и минимальным высвобождением несобранного аэрозоля из коалесцирующего каплеуловителя.
Согласно другому варианту осуществления по меньшей мере один каплеуловитель изготовлен из беспорядочно ориентированного материала со связанным преимуществом беспорядочно ориентированного материала, такого как стекловата, являющаяся недорогой и весьма открытой.
Согласно другому варианту осуществления по меньшей мере один каплеуловитель изготовлен из структурированного материала, такого как трикотажные или тканные волокна или нити, со связанным преимуществом структурированного материала, обеспечивающим строго определенное удаление, с минимальным перепадом давления и максимальными свойствами отвода жидкости.
Согласно другому варианту осуществления указанный инерционный каплеуловитель и указанный коалесцирующий каплеуловитель обеспечиваются в виде отдельного элемента, со связанным преимуществом такого отдельного элемента, имеющего открытую структуру близко ко входу технологического газа и плотную структуру близко к выходу технологического газа, состоящим в простоте в обращении и установке в конденсаторе.
Согласно другому варианту осуществления указанный инерционный каплеуловитель имеет размер направлении потока газа более 20 мм, 40 мм, 60 мм и размер направлении потока газа менее 150 мм, 200 мм или 250 мм, со связанным преимуществом такого способа, обеспечивающим эффективное удаление в инерционном каплеуловителе, избегая затопления коалесцирующего каплеуловителя.
Согласно другому варианту осуществления указанный коалесцирующий каплеуловитель имеет размер направлении потока газа более 20 мм, 30 мм или 40 мм и размер направлении потока газа менее 60 мм, 80 мм или 120 мм, со связанным преимуществом такого способа, обеспечивающим эффективное удаление в инерционном каплеуловителе, избегая затопления коалесцирующего каплеуловителя.
Согласно другому варианту осуществления соотношение между размером в направлении потока газа инерционного каплеуловителя и размером в направлении потока газа коалесцирующего каплеуловителя составляет более 0,5, 1,0 или 1,5 и менее 10,0, 5,0 или 2,0, со связанным преимуществом такого способа, обеспечивающим хороший баланс между удалением основной части в инерционном каплеуловителе и минимальным высвобождением несобранных паров из коалесцирующего каплеуловителя.
Согласно другому варианту осуществления поверхностная скорость потока газа, входящего в каплеуловитель, составляет более 1,0 м/с, 2,0 м/с или 3,0 м/с и менее 7,0 м/с, 8,0 м/с или 10 м/с, со связанным преимуществом такого способа, обеспечивающим эффективное удаление в инерционном каплеуловителе, избегая затопления коалесцирующего каплеуловителя.
Согласно другому варианту осуществления разность температуры технологического газа, входящего в каплеуловитель, и технологического газа, выходящего их каплеуловителя, составляет менее 5°C, со связанным преимуществом такого способа, состоящем в том, что каплеуловитель работает путем сбора конденсированных аэрозолей ниже по ходу потока от конденсации, а не путем конденсации, реакции или испарения в каплеуловителях.
Согласно другому варианту осуществления технологический газ содержит аэрозоль серной кислоты при концентрации серной кислоты в капле аэрозоля при контакте с инерционным каплеуловителем выше 50 мас. %, 60 мас. % или 70 мас. % и ниже 99 мас. %, 95 мас. % или 90 мас. %, со связанным преимуществом этого интервала, обеспечивающим достаточное количество серной кислоты для экономически эффективного производства серной кислоты.
Согласно другому варианту осуществления по меньшей мере один каплеуловитель изготовлен из неорганического материала, такого как стекловата, или из полимерного материала, такого как полимеры на основе фторида, включая этилентетрафторэтилен (ETFE), со связанным преимуществом таких материалов, состоящем в экономической эффективности и надежности в отношении удаления коррозионных жидкостей, таких как серная кислота, при температуре от 60°C до 140°C или 200°C.
Согласно другому варианту осуществления каплеуловитель расположен в устойчивой к нагреву и кислоте вертикальной трубе, такой как стеклянная труба, в которой технологический газ течет внутри трубы, а охлаждающая среда, такая как охлаждающий воздух, течет по внешней стороне трубы, со связанным преимуществом такого способа, состоящем в том, что он хорошо подходит для производства концентрированной серной кислоты с соответствующей концентрацией серной кислоты вследствие испарения воды из капель серной кислоты во время осаждения.
Согласно другому варианту осуществления температура технологического газа, входящего в указанный инерционный каплеуловитель, составляет выше 60°C, 80°C или 90°C и ниже 120°C, 160°C или 200°C, со связанным преимуществом технологического газа в этом диапазоне температур, включающем соответствующее количество конденсации паров серной кислоты и обеспечение соответствующей концентрации конденсированной серной кислоты.
Другим объектом настоящего изобретения является конденсатор паров серной кислоты, содержащий a замкнутое пространство технологического газа, имеющее вход технологического газа и выход технологического газа, выход жидкой среды, а также замкнутое пространство охлаждающей среды, имеющее вход охлаждающей среды и выход охлаждающей среды, и где указанный выход жидкой среды находится рядом со входом технологического газа и определяет положение выше по ходу потока относительно течения технологического газа, причем указанный конденсатор серной кислоты дополнительно содержит инерционный каплеуловитель и коалесцирующий каплеуловитель, где указанный инерционный каплеуловитель и указанный коалесцирующий каплеуловитель расположены в замкнутом пространстве технологического газа, причем указанный инерционный каплеуловитель расположен выше по ходу потока от указанного коалесцирующего каплеуловителя, и указанный инерционный каплеуловитель имеет долю пустого пространства выше чем доля пустого пространства указанного коалесцирующего каплеуловителя, со связанным преимуществом такого конденсатора, состоящем в том, что он способен конденсировать высокие количества серной кислоты, избегая высвобождения паров кислоты в окружающую среду. Как правило, каплеуловитель расположен на верхнем конце вертикального конденсатора, так что расположенный выше по ходу потока инерционный каплеуловитель находится ниже коалесцирующего каплеуловителя, но каплеуловители также могут быть расположены ниже по ходу потока от части, где происходит конденсация, так что инерционный каплеуловитель выше по ходу потока не расположен ниже коалесцирующего каплеуловителя ниже по ходу потока. В такой конфигурации дополнительный (второстепенный) выход жидкой среды может быть расположен вблизи каплеуловителей.
Согласно другому варианту осуществления указанное замкнутое пространство технологического газа представляет собой трубу, со связанным преимуществом конденсатора паров серной кислоты на основе по существу вертикальной трубы технологического газа, состоящем в том, что множество таких конденсаторов могут работать параллельно внутри одного замкнутого пространства охлаждающей среды.
Согласно другому варианту осуществления указанное замкнутое пространство охлаждающей среды содержит трубу, со связанным преимуществом конденсатора паров серной кислоты на основе одной или более по существу горизонтальных трубок охлаждающей среды, состоящем в том, что высокий конденсатор может быть сконструирован без необходимости использования длинных трубок.
Для оптимизации выхода конденсируемых веществ и минимизации выбросов очевидна необходимость в эффективных способах удаления. В процессе конденсации паров серной кислоты значительным источником выбросов являются аэрозоли, образующиеся при конденсации паров серной кислоты. Аэрозоль представляет собой газ, содержащий маленькие капли, которые не осаждаются, потому что силы сопротивления, прилагаемые окружающим газом, превышают силы тяжести. Если размер капель увеличивается, более крупные капли могут осаждаться, поскольку сила тяжести становится больше, чем сила сопротивления.
Конденсатор представляет собой теплообменник, принимающий теплый технологический газ и холодную теплообменную среду, которые находятся в тепловом сообщении, но не в жидкостном сообщении. За счет теплообмена технологический газ охлаждается, а теплообменная среда нагревается. Теплый технологический газ содержит количество конденсируемых веществ. Поскольку технологический газ охлаждается ниже точки росы конденсируемых веществ, он будет конденсироваться на охлаждаемых поверхностях и может быть собран на дне конденсатора. Поэтому, типичный конденсатор будет иметь вертикальную конструкцию, имеющую вход технологического газа со стороны дна, выход технологического газа в верхней части, впуск теплообменной среды в верхней части и выпуск теплообменной среды в нижней части в противотоке с технологическим газом, но теплообменная среда также может по существу находиться в перекрестном потоке с потоком технологического газа, т.е. доминирующее направление потока может быть по существу горизонтальным от одной стороны конденсатора к другой стороне. Технологический газ и теплообменная среда будут разделены как в других теплообменниках.
Практическая конструкция конденсатора часто будет включать либо технологический газ, либо теплообменную среду, протекающую в трубах. Если технологический газ течет в трубах, они должны быть по существу вертикальными, чтобы обеспечить отвод конденсата со дна конденсатора. Множество труб технологического газа будут находиться внутри замкнутого пространства теплообменной среды. В верхней части конденсатора выпускная секция трубок конденсатора будет отделена от теплообменной среды, например, трубной решеткой. Каждая труба технологического газа, как правило, имеет цилиндрическую форму диаметром от 40 мм до 50 мм и редко менее 10 мм или более 100 мм. Если теплообменная среда течет в трубах, множество труб теплообменной среды будут находиться внутри замкнутого пространства технологического газа, а замкнутое пространство технологического газа будет по существу вертикальным, и трубы теплообменной среды, как правило, будут по существу горизонтальными трубами. В этом случае замкнутое пространство технологического газа может иметь любую форму поперечного сечения, такую как прямоугольная, квадратичная или круглая. Поперечное сечение может составлять несколько метров. Как правило, 80% конденсируемого содержимого может конденсироваться непосредственно на охлаждаемых поверхностях теплообменника, но оставшиеся 20% могут образовывать аэрозоль, который будет уноситься вместе с потоком газа.
Следовательно, существует риск того, что эти капли аэрозоля, которые трудно удалить, будут выбрасываться в окружающую среду, если с ними не будут обращаться соответствующим образом.
Для обеспечения минимального выброса аэрозолей часто используется каплеуловитель. В каплеуловителе устанавливаются процессы для объединения капель аэрозоля в коалесцирующем каплеуловителе в более крупные капли, которые будут собираться. Коалесцирующий каплеуловитель будет иметь плотную структуру, поскольку диффузия аэрозолей будет вызывать больше столкновений с материалом каплеуловителя и, следовательно, большее слияние мелких капель аэрозоля. Однако сила сопротивления быстрого, часто турбулентного, потока газа может увлечь большие капли в процессы ниже по ходу потока. Чтобы избежать этого увлечения, обычной практикой является обеспечение инерционного каплеуловителя ниже по ходу потока от коалесцирующего каплеуловителя, собирающего таким образом более крупные капли.
С повышением требований в отношении окружающей среды необходимость снижения выбросов аэрозолей привела к необходимости еще более плотных коалесцирующих каплеуловителей, чтобы избежать выброса самых тонких аэрозолей. Это, однако, имеет следствие увеличения перепада давления и повышенного риска затопления в каплеуловителе.
Авторы настоящего изобретения определили, что эффективным путем получения высокоэффективной системы каплеуловителей является обеспечение инерционного каплеуловителя перед коалесцирующим каплеуловителем. Эта конструкция, в отличие от обычной практики, будет иметь эффект удаления большой доли капель перед коалесцирующим каплеуловителем, что уменьшает количество жидкости, поступающей в коалесцирующий каплеуловитель, и, следовательно, риск затопления.
Система каплеуловителей, включающая открытый инерционный каплеуловитель, за которым следует плотный коалесцирующий каплеуловитель, может быть предусмотрена в виде двух отдельных элементов или одного элемента, который может быть получен путем образования открытой структуры с двумя различными плотностями.
Такая система каплеуловителей использует тот факт, что в конденсаторе с восходящим потоком газа распределение капель по размеру включает большую долю относительно больших капель, но все еще достаточно маленьких, чтобы силы сопротивления превышали силы тяжести. Посредством вынуждения аэрозоли сталкиваться с открытым материалом в инерционном каплеуловителе, самые большие капли будут собираться, и только самые маленькие капли будут переноситься с технологическим газом в коалесцирующий каплеуловитель ниже по ходу потока.
Это означает, что меньший объем жидкой среды присутствует в коалесцирующем каплеуловителе, который, таким образом, способен принимать более высокие скорости газа до того, как произойдет затопление.
Материалом каплеуловителя могут быть органические полимеры или минералы, в зависимости от требуемой термической и химической стойкости, такие как минеральная вата, например, изготовленная из стекла, твердой породы, диоксида кремния, оксида алюминия или боросиликатного стекла, или полимеров, включая широкий спектр органических полимеров или, если важна химическая стойкость, фторорганических полимеров, таких как политетрафторэтилен, PTFE, или поли(этилентетрафторэтилен), ETFE.
Морфология каплеуловителя на шкале размеров капель может быть беспорядочной или структурированной. Каплеуловители могут быть изготовлены из пробок из неструктурированных минеральных волокон, имеющих типичный диаметр волокна нити от 0,2 мкм до 0,1 мм, или каплеуловители могут быть изготовлены из пробок из неструктурированных полимерных волокон, имеющих типичный диаметр волокна нити от 0,2 мкм до 3 мм. Чтобы повысить предсказуемость параметров каплеуловителя, каплеуловитель также может иметь структурированную морфологию. Структурированный каплеуловитель может быть изготовлен посредством вязания или переплетения нити, изготовленной из волокон или, возможно, из одной нити. Нить может быть изготовлена из одного типа волокна или комбинации нескольких волокон. Структурированный каплеуловитель может быть даже получен путем систематической или случайной намотки нити, обеспечивая плотную структуру вблизи нити и открытую структуру между нитью.
В процессе вязания каплеуловитель может быть связан непрерывным образом с варьирующейся структурой. Например, первый контакт с газом может быть с открытой структурой, за которой следует плотная структура. Также может быть возможность иметь более двух разных плотностей в каплеуловителе.
Каплеуловитель также может быть формован непосредственно в виде открытой сотовой или сетчатой структуры, и структура также может быть напечатана в 3D, с обеспечением полного контроля над структурой каплеуловителя.
Если замкнутое пространство технологического газа в конденсаторе обеспечивается трубами, каплеуловитель может быть обычно изготовлен из трикотажного листа, который свернут для установки в цилиндрическую трубу. Такой трикотажный каплеуловитель также может быть связан, чтобы иметь три измерения.
Если замкнутое пространство теплообменной среды обеспечено трубами внутри замкнутого пространства технологического газа, замкнутое пространство технологического газа каплеуловителя должно охватывать всю площадь выхода конденсатора и поэтому, как правило, обеспечивается в виде прокладки из материала каплеуловителя. Эта прокладка может представлять собой один слой инерционного каплеуловителя, за которым следует один слой коалесцирующего каплеуловителя, но прокладка также может представлять собой множество слоев каждого типа, и оптимальное удаление может быть достигнуто двумя или более парами каплеуловителей, каждая из которых содержит слой инерционного каплеуловителя, за которым следует слой коалесцирующего каплеуловителя. Различные типы каплеуловителей могут быть расположены непосредственно в контакте друг с другом или могут быть отделены друг от друга пустым пространством.
Материал, используемый для каплеуловителя, должен быть совместим с конденсируемой жидкостью и рабочей температурой. Важное применение конденсатора связано с получением серной кислоты путем конденсации паров H2SO4. В этом случае пределы выбросов для серной кислоты определяют потребность в высокоэффективном удалении и контроле аэрозолей серной кислоты, и для этого применения требуются материалы, стойкие к серной кислоте при температурах от 60°C до 140°C или даже до 200°C. Для удаления серной кислоты для каплеуловителей предпочтительны материалы на основе стекла и минералов или фторполимеры.
Альтернативный способ удаления вредных соединений из газа, как например диоксида серы из технологического газа, включает очистку газа с помощью очищающей жидкости, такой как вода, слабая кислота, гидроксид натрия или перекись водорода. В таких способах технологический газ направляется для контакта с очищающей жидкостью, а вредный газ, такой как диоксид серы, растворяют в очищающей жидкости. Такой способ прост, и с очищающей жидкостью моно работать независимо от химического процесса, обеспечивающего технологический газ, и переносить ее в другое место. Однако такой способ может привести к образованию тумана над скруббером, который должен быть удален с помощью соответствующего каплеуловителя, такого как раскрытый в настоящем документе.
Двухслойные каплеуловители в соответствии с настоящим раскрытием могут также использоваться при удалении или отделении воды и углеводородов из природного газа и в пищевой промышленности и производстве напитков для защиты оборудования ниже по ходу потока.
Примеры в настоящем документе сфокусированы на каплеуловителях, расположенных в вертикальной трубе, с инерционным каплеуловителем ниже коалесцирующего каплеуловителя, и с собранной аэрозольной жидкой средой, протекающей против газа, содержащего аэрозоль. Однако способ также может быть реализован в других конфигурациях, где газ, содержащий аэрозоль, контактирует с инерционным каплеуловителем перед коалесцирующим каплеуловителем, например, где труба является по существу горизонтальной, и жидкая среда течет по существу в направлении, ортогональном потоку газа. В такой конфигурации дополнительный выход жидкой среды может быть расположен близко к каплеуловителям.
Краткое описание чертежей
На Фиг. 1 показана установка для производства серной кислоты, содержащая конденсатор с технологическим газом внутри труб.
На Фиг. 2 показан конденсатор с теплообменной средой внутри труб.
На Фиг. 3 показана труба конденсатора с однослойным каплеуловителем.
На Фиг. 4 показана труба конденсатора с двухслойным каплеуловителем.
Способ, как показано на Фиг.1, для удаления SO2 из технологических газов с соответствующим образованием серной кислоты, известен из уровня техники. В этом способе подаваемый газ 2, содержащий SO2, обеспечивают при температуре, достаточной для инициирования каталитического окисления SO2 до SO3, например, около 370-420°C, в каталитический реактор 4, в котором происходит окисление SO2 до SO3 в присутствии подходящего катализатора для серной кислоты. Ряд таких катализаторов для серной кислоты известен специалисту в данной области техники. Одним из возможных катализаторов является оксид ванадия, нанесенный на материал носитель из диоксида кремния и промотированный щелочными металлами. Предпочтительными щелочными металлами являются калий, натрий и/или цезий.
Чтобы избежать сдвига равновесия SO2/SO3 в сторону SO2 при одновременном использовании выгоды от высоких скоростей реакции при высоких температурах, окисление часто проводят в двух или трех слоях с промежуточными теплообменниками, и со следующим далее дополнительным теплообменником.
На выходе из каталитического реактора доступен окисленный технологический газ 6. Этот окисленный технологический газ содержит водяной пар, который при понижении температуры гидратирует SO3 с образованием газообразной H2SO4, серной кислоты. Окисленный и (частично) гидратированный технологический газ направляется в узел конденсации 8 с замкнутым пространством технологического газа, образованным вертикальными стеклянными трубами 10, в которых температура снижается ниже точки росы серной кислоты, путем теплообмена с холодной теплообменной средой, такой как атмосферный воздух, подаваемый на вход 12 теплообменной среды и отводимый из выхода 14 теплообменной среды. Серная кислота конденсируется и может быть собрана в концентрированном виде на выходе жидкой среды 16 в нижней части узла конденсации. На холодном конце вертикальных стеклянных труб 10 предусмотрен каплеуловитель 18 в трубах. Подвергнутый каплеулавливанию технологический газ 20 направляется в выводную трубу 22.
На Фиг. 2 показан альтернативный конденсатор. Здесь окисленный и (частично) гидратированный технологический газ 6 направляется в узел конденсации 8, в котором замкнутое пространство технологического газа окружает замкнутое пространство теплоносителя, образованное горизонтальными стеклянными трубами 30. Температура технологического газа снижается до уровня ниже точки росы конденсируемой жидкости путем теплообмена с холодной теплообменной средой, такой как атмосферный воздух, подаваемый на вход 12 теплообменной среды и отводимый из выхода 14 теплообменной среды. Жидкость конденсируется и может быть собрана в концентрированной форме на выходе жидкой среды 16 в нижней части узла конденсации. Рядом с выходом технологического газа узла конденсации предусмотрена прокладка двухслойного каплеуловителя 32 согласно настоящему изобретению. Подвергнутый каплеулавливанию технологический газ 20 направляется в выводную трубу.
На Фиг. 3 показан каплеуловитель, представляющий собой вариант осуществления согласно предшествующему уровню техники, в котором замкнутое пространство технологического газа является трубчатым, например, соответствующий каплеуловителю 18 на Фиг. 1.
Технологический газ течет вверх через узкое сечение трубы 52 и расширяется при достижении закрытого пространства каплеуловителя. Расширение трубы служит нескольким целям, то есть уменьшению скорости газа в каплеуловителе, чтобы избежать затопления, обеспечению того, чтобы каплеуловитель был зафиксирован в положении внутри закрытого пространства, и обеспечению точки крепления для стеклянной трубы 52 в трубной решетке.
Технологический газ, содержащий капли, течет вверх с типичной вертикальной поверхностной скоростью потока между 1 и 7 м/с в широком сечении трубы 54. Инерционный каплеуловитель 56 располагается в широком сечении трубы 54. Когда капли встречаются с каплеуловителем 56, капли с высокой инерцией собираются. Самые маленькие капли будут следовать по пути газа через каплеуловитель и будут собираться с гораздо меньшей эффективностью.
Если бы был выбран каплеуловитель с более плотной структурой, были бы собраны наименьшие капли, но это было бы связано с повышенным риском затопления, повышенной потерей давления и риском уноса капель из затопления на выходе из каплеуловителя.
На Фиг. 4 показан каплеуловитель, являющийся вариантом осуществления настоящего изобретения, в котором замкнутое пространство технологического газа является трубчатым, аналогично Фиг. 3.
Технологический газ течет вверх через узкое сечение трубы 52 и расширяется при достижении замкнутого пространства каплеуловителя. Расширение трубки служит нескольким целям, то есть уменьшению скорости газа в каплеуловителе, чтобы избежать затопления, обеспечению того, чтобы каплеуловитель был зафиксирован в положении внутри замкнутого пространства, и обеспечению точки крепления для стеклянной трубы 52 в трубной решетке.
Технологический газ, содержащий капли, течет вверх с типичной вертикальной поверхностной скоростью потока между 1 и 7 м/с в широком сечении трубы 54.
Инерционный каплеуловитель 56 расположен ниже коалесцирующего каплеуловителя 58 в широком сечении трубы 54. Когда капли встречаются с открытым инерционным каплеуловителем, большая часть крупных капель собирается, образуя жидкую пленку на материале каплеуловителя и вытекает из каплеуловителя. Самые маленькие капли аэрозоля следуют за газом в верхний более плотный коалесцирующий каплеуловитель 58, в котором они эффективно собираются, образуя жидкую пленку и стекая в открытый каплеуловитель ниже. Загрузка жидкости коалесцирующего фильтра является низкой, и, следовательно, предотвращается затопление каплеуловителя.
Примеры
Представлены три примера, чтобы показать эффект настоящего изобретения.
В Таблице 1 показана оценка распределения размера капель при входе в каплеуловитель для газа с концентрацией аэрозоля серной кислоты при выходе из конденсатора 50000 мас. частей на миллион, вычисленная как 100% мас/мас H2SO4.
Таблица 1
| Размер капель | Мас. % паров серной кислоты |
| <0,3 мкм | 0,05 |
| 0,3-1,0 мкм | 0,5 |
| 1,0-3,0 мкм | 2 |
| 3,0-10 мкм > 10 мкм |
10 87,45 |
В первом примере согласно предшествующему уровню техники показан каплеуловитель, предназначенный для удаления только умеренного количества капель размером менее 1 мкм, соответствующий конденсатору, предназначенному для удаления паров кислоты до уровня ниже 50 мас. частей на миллион, на основе инерционного каплеуловителя, с долей пустого пространства 90%.
Во втором примере согласно предшествующему уровню техники показан каплеуловитель, предназначенный для удаления большого количества капель, имеющих размер менее 1 мкм, на основе коалесцирующего каплеуловителя с долей пустого пространства 86%. Из-за высокой загрузки жидкости этот каплеуловитель может испытывать затопление из-за уноса капель, что может привести к переносу жидкости.
В третьем примере согласно настоящему раскрытию показан каплеуловитель, предназначенный для удаления большого количества капель размером менее 1 мкм на основе инерционного каплеуловителя с долей пустого пространства 90%, за которым следует коалесцирующий каплеуловитель с долей пустого пространства 86%. Такое решение обеспечивает эффективное удаление аэрозоля, одновременно снижая перепад давления и риск затопления каплеуловителя.
Доля пустого пространства измерялась путем определения вытеснения воды в результате погружения каплеуловителя с известным объемом V в мерный цилиндр объемом 250 мл, частично заполненный водой, Vw, при температуре 20°C. Образцу давали возможность пребывать в течение 10 минут, прежде чем был отмечен новый уровень воды, VL. Пустота была затем рассчитана как
Пустота 
Плотность относится к плотности каплеуловителя в положении, в котором он установлен во время работы, то есть к массе каплеуловителя, разделенной на объем замкнутое пространство технологического газа, занимаемого каплеуловителем.
Таблица 2
| Пример 1 | Пример 2 | Пример 3 | |
| удаление капель 0,1-0,3 мкм | 0 | 80 | 80 |
| удаление капель 0,3-1,0 мкм | 94 | 98 | 98 |
| удаление капель 1,0-3,0 мкм | 99 | 100 | 100 |
| удаление капель 3,0-10 мкм | 100 | 100 | 100 |
| пустое пространство инерционного каплеуловителя | 90% | - | 90% |
| плотность инерционного каплеуловителя | 90 кг/м3 | - | 90 кг/м3 |
| высота инерционного каплеуловителя | 190мм | - | |
| пустое пространство коалесцирующего каплеуловителя | - | 86% | 86% |
| плотность коалесцирующего каплеуловителя | 200 кг/м3 | 200 кг/м3 | |
| высота коалесцирующего каплеуловителя | - | ||
| температура каплеуловителя выше по ходу потока | 100°C | 100°C | 100°C |
| температура каплеуловителя ниже по ходу потока | 100°C | 100°C | 100°C |
| Перепад давления | 60 ммH2O | 400 ммH2O | 120 ммH2O |
| H2SO4 в мас. частей на миллион на входе в каплеуловитель | 50000 | 50000 | 50000 |
| H2SO4 в мас. частей на миллион на выходе | 50 | 10 | 10 |
Из этих трех примеров ясно, что повышенная эффективность удаления может быть достигнута при работе конденсатора с двойным каплеуловителем в соответствии с настоящим изобретением с меньшим перепадом давления по сравнению с одним более плотным каплеуловителем. Кроме того, повышенный перепад давления в Примере 2 будет связан с повышенным риском затопления, поскольку практически все капли серной кислоты будут собираться в плотном коалесцирующем каплеуловителе.
1. Способ удаления аэрозоля, включающий стадии
а) охлаждения технологического газа, содержащего по меньшей мере 5000 мас. частей на миллион конденсируемых веществ, при условиях конденсации с получением технологического газа, содержащего аэрозоль,
b) направления указанного технологического газа, содержащего аэрозоль, для контакта с инерционным каплеуловителем, обеспечивающим первый подвергнутый каплеулавливанию технологический газ, и
c) направления первого подвергнутого каплеулавливанию технологического газа для контакта с коалесцирующим каплеуловителем, обеспечивающим второй подвергнутый каплеулавливанию технологический газ,
отличающийся тем, что
d) указанный первый инерционный каплеуловитель является более открытым, чем указанный коалесцирующий каплеуловитель, где более открытый определяется как имеющий более высокую долю пустого пространства или более низкую плотность, и
e) технологический газ, входящий в каплеуловитель, имеет содержание аэрозоля более 5000 мас. частей на миллион, 10000 мас. частей на миллион или 20000 мас. частей на миллион.
2. Способ по п. 1, в котором указанный инерционный каплеуловитель имеет долю пустого пространства более 0,90 и долю пустого пространства менее 0,99, 0,96 или 0,94.
3. Способ по п. 1, в котором указанный коалесцирующий каплеуловитель имеет долю пустого пространства более 0,60, 0,75 или 0,82 и долю пустого пространства менее 0,90.
4. Способ по п. 1, в котором указанный инерционный каплеуловитель имеет плотность более 30 кг/м3, 60 кг/м3 или 80 кг/м3 и плотность менее 100 кг/м3, 120 кг/м3 или 160 кг/м3.
5. Способ по п. 1, в котором указанный коалесцирующий каплеуловитель имеет плотность более 170 кг/м3, 180 кг/м3 или 200 кг/м3 и плотность менее 300 кг/м3, 350 кг/м3 или 500 кг/м3.
6. Способ по п. 1, где соотношение между размером в направлении потока газа инерционного каплеуловителя и размером в направлении потока газа коалесцирующего каплеуловителя составляет более 0,5, 1,0 или 1,5 и менее 10,0, 5,0 или 2,0.
7. Способ по п. 1, в котором поверхностная скорость потока газа, входящего в каплеуловитель, составляет более 1,0 м/с, 2,0 м/с или 3,0 м/с и менее 7,0 м/с, 8,0 м/с или 10 м/с.
8. Способ по п. 1, в котором разность температуры технологического газа, входящего в каплеуловитель, и технологического газа, выходящего из каплеуловителя, составляет менее 5°C.
9. Способ по п. 1, в котором технологический газ содержит аэрозоль серной кислоты с концентрацией серной кислоты в каплях аэрозоля при контакте с инерционным каплеуловителем выше 50 мас. %, 60 мас. % или 70 мас. % и ниже 99 мас. %, 95 мас. % или 90 мас. %.
10. Способ по п. 9, в котором по меньшей мере один каплеуловитель изготовлен из неорганического материала, такого как стекловата, или из полимерного материала, такого как полимеры на основе фторида, включая этилентетрафторэтилен (ETFE).
11. Способ по п. 9 или 10, в котором каплеуловитель расположен в устойчивой к нагреву и кислоте вертикальной трубе, такой как стеклянная труба, где технологический газ течет внутри трубы, а охлаждающая среда, такая как охлаждающий воздух, течет по внешней стороне трубы.
12. Способ по п. 9, где температура технологического газа, входящего в указанный инерционный каплеуловитель, составляет выше 60°C, 80°C или 90°C и ниже 120°C, 160°C или 200°C.
13. Конденсатор серной кислоты, содержащий замкнутое пространство технологического газа, имеющее вход технологического газа и выход технологического газа, выход жидкой среды, а также замкнутое пространство охлаждающей среды, имеющее вход охлаждающей среды и выход охлаждающей среды, и в котором указанный выход жидкой среды находится рядом со входом технологического газа и определяет положение выше по ходу потока относительно течения технологического газа, причем указанный конденсатор серной кислоты дополнительно содержит инерционный каплеуловитель и коалесцирующий каплеуловитель, где указанный инерционный каплеуловитель и указанный коалесцирующий каплеуловитель расположены в замкнутом пространстве технологического газа, причем указанный инерционный каплеуловитель расположен выше по ходу потока от указанного коалесцирующего каплеуловителя, и указанный инерционный каплеуловитель имеет долю пустого пространства выше, чем доля пустого пространства указанного коалесцирующего каплеуловителя.
14. Конденсатор серной кислоты по п. 13, в котором указанное замкнутое пространство технологического газа представляет собой трубу.
15. Конденсатор серной кислоты по п. 13, в котором указанное замкнутое пространство охлаждающей среды содержит трубу.
