Особенности технологии кальцинированного содового завода как объекта моделирования

Исследование особенностей технологии кальцинирования соды как объекта моделирования

К важнейшим видам продукции основной химической промышленности относятся кальцинированная сода. Кальцинированная сода широко применяется во многих отраслях промышленности, а также для бытовых нужд.

Основным сырьем для производства кальцинированной соды является хлористый натрий (соль) и карбонат кальция (известняк). На территории Узбекистана все основные виды сырья для её производства.
Годовая потребность Кунградского содового завода в основном сырье составляет: известняк - 153,0 тыс. тонн, соль поваренная - 160,0 тыс. тонн, аммиак - 1,0 тыс. тонн. Основное сырье для предприятия - известняк имеет 92% чистоту, что является высочайшим показателем в мире.
Одним из типичных объектов моделирования является технологическая схема производства кальцинированной соды (рис.1).

NH₃

1

3

1



NaCl

1

5

1

6

1

7

1

2

1

4

1

1

1

10

1

CO₂

1

NH₃+CO₂

1

11

1

12

1

8

1

CaCO₃

1

NH₃+CO₂

1

13

1

9

1

CaCl₂ и др. отходы

1

Рис. 1. Технологическая схема производства кальцинированной соды. 1-очистка рассола, 2,4,12-насосы, 3-отделение абсорбции, 5-отделение карбонизации, 6‑фильтрация, 7-отделение кальцинации, 8 – отделение обжига, 9‑отделение гашения, 10-отделение компрессии, 11-дистилляция, 13-отделение тяжелой соды.

Функционирование технологической схемы содового производства осуществляется следующим образом. Водный раствор поваренной соли предварительно очищенный от солей кальция и магния, поступает в отделение очистки рассола 1. В отделении абсорбции 3 очищенный рассол поглощается аммиаком и частично углекислым газом. Некоторое количество аммиака, теряемого в процессе производства, восполняется газообразным аммиаком. Аммонизированный рассол насосом 4 перекачивается в отделении карбонизации 5. Здесь аммонизированный рассол насыщают углекислым газом, подаваемым компрессорами из отделения компрессии 10, в результате образуется бикарбонат натрия. Осажденный бикарбонат натрия отделяется от жидкости при помощи барабанного вакуум-фильтра в отделении фильтрации 6. Отфильтрованные жидкости направляются через насосы 12 в отделении дистилляции 11, а бикарбонат натрий подается в отделение кальцинации. В отделении кальцинации 7 влажный бикарбонат натрия разлагают при нагревании в кальцинаторах с получением легкой кальцинированной соды. Легкая кальцинированная сода отличается плохой теплопроводностью и занимает большой объем. Для изменения кристаллической структуры в промышленности применяется способ перекристаллизации кальцинированной соды в растворе. При этом получается сода, с большим насыпном весом – тяжелая кальцинированная сода, в отделении тяжелой соды 13. В отделении дистилляции производится регенерация аммиака из солей аммония, содержащихся в отфильтрованной от осадка бикарбоната натрия жидкости. Для этого фильтровую жидкость отрабатывают паром и известковым молоком. Выделенный аммиак возвращается в отделение абсорбции 3.

Согласно [3,4], каждое отделение состоит из нескольких комплексов, в свою очередь комплексы состоят из нескольких аппаратов и устройств, в которых происходят различные физико-химические процессы (кинетические, тепло- и массообменные, гидродинамические и другие)[1,5].

Рис 2. Структура физико-химических процессов и их взаимодействие.

С целью анализа представим структуру физико-химических процессов и их взаимодействие в следующем виде (рис. 2). На рис. 2 поваренная соль (ПС), тяжелой кальцинированной соды (КС), известняк (И), CaCl₂ и др. отходы (О), на промежуточных стадиях индивидуальные полупродукты Р_i(I = 1,2,…,15). J_i (I = 1,2,…,10) отделении, в которых происходят технологические процессы (аппараты, устройства), F_i( I = 1,2,…,10) – управляющие воздействия.
Установлено, что основными процессами, получению кальцинированной соды являются отделения абсорбции и карбонизации. Поэтому далее рассмотрим основные аппараты этих отделений, задачи их автоматизаций, а также подходы к математическому моделированию подобных процессов.
В отделении абсорбции для поглощения NH₃ и СО₂ применя­ют аппараты барботажного и скрубберного типа. Современные и вновь строящиеся содовые заводы оснащены аппаратами бар­ботажного типа с противотоком газа и жидкости. Барботажные аппараты представляют собой вертикальные колонны, состоя­щие из ряда бочек, соединенных на резино­вых прокладках и скрепленных между собой болтами. В каж­дой барботажной бочке имеется специальное устройство — барботажная тарелка, на которой происходит тесное соприкоснове­ние газа с жидкостью. В аппарате имеется несколько таких та­релок, зажатых между фланцами. При прохождении газа через слой рассола происходит вспенивание жидко­сти, что способствует лучшему контакту газовой и жидкой фаз.
В последнее время на некоторых содовых заводах приме­няется второй абсорбер скрубберного типа со встроенным холо­дильником (вместо выносного). В этом аппарате ведут процесс абсорбции аммиака и оксида углерода (IV) и одновременно с рассолом отводится тепло из зоны газожидкостного контакта.
Для уменьшения коррозии аппаратуры в рассол вводят суль­фиды, при этом внутренние поверхности аппаратов покрывают­ся тонким слоем сульфида железа, предохраняющего аппарату­ру от дальнейшей коррозии.
На действующих содовых предприятиях введена система управления процессами на станциях в отделениях абсорбции, которая осуществляет сбор, первичную обработку инфор­мации о параметрах технологического режима, оперативный расчет основных технико-экономических показателей процесса и выдачу этих данных оператору.
Основным параметром отделения абсорбции является поток фильтровой жидкости в дистилляционную колонну, который одновременно определяет нагрузку аппаратов абсорбции по количеству поглощенного ам­миака. Основные потоки, включая очищенный рассол на абсорбцию и воду, поступающую на охлаждение аппаратов станции абсорбции, являются подчи­ненными и согласовываются с ведущим потоком.
Основными аппаратами отделения карбонизации являются карбонизационные колонны и первый промыватель газа колонн.
Карбонизационная (осадительная) колонна представляет собой вертикальный цилиндрический аппарат барботажного ти­па, состоящий из отдельных чугунных бочек и царг (аналогич­на абсорбционной колонне).
Существующие карбонизационные колонны, традиционно применяемые в содовом производстве представляют собой металлоемкие и сложные по конструкции аппараты.
Первый промыватель газа колонны (ПГКЛ-1) — аппарат скрубберного типа — представляет собой цилиндрическую пусто­телую колонну, колосниковых решетках. В верхней части аппарата имеет­ся распределительная оросительная тарелка. Размеры промывателей определяются производительностью отделения карбо­низации.
Отделение карбонизации является важнейшей в производстве кальцинированной соды и ее работа во многом определяет технико-экономические по­казатели производства в целом.
В настоящее время на практике используется система управления процессами карбонизации и предкарбонизации аммонизированного рассола, которая предусматривает автоматическую подачу аммонизированного рассола в аппа­раты предкарбонизации и поддержание уровня жидкости в них, стабилизацию температурного режима предкарбонизации и степени насыщения предкарбонизованной жидкости. Регулирование газовой нагрузки в аппаратах пред­карбонизации осуществляют с учетом режима работы осадительных карбо­низационных колонн.
Система управления отделения карбонизации улуч­шает технико-экономические показатели.
При строгом соблюдении требований технологического режима процессов карбонизации и предкарбонизации, а также правил эксплуатации системы управления обеспечивается повышение производительности карбонизационной колонны, достижение степени использования натрия; увеличение степени насыщения предкарбонизованного рассола.
Система управления отделением карбонизации производства кальцинированной соды решает задачу оптимального сочетания высокой про­изводительности колонной аппаратуры с высокими коэффициентами исполь­зования натрия и диоксида углерода.
Функциональную связь параметров процессов абсорбции и карбонизации с целью математического моделирования может представить в следующем виде:

Входные параметры и параметры состояния в момент процесса:

где x_n(t) n=1…N – вектор состояния системы в момент t (или вектор фазовых координат);

где q_i – внешние параметры, к которым относятся физико-химические свойства газа и жидкостей;
такие как, q₁ – а – удельная поверхность ( м²/м³ или м^-1);
которая определяется с помощи формулы:

здесь w – q₁₄, ρ_ж – q₁₆, N_v – мощность на единицу объема , d_п – диаметр пузырков, σ – поверхностное натяжение, Н/м, τ — фиктивное время пребывания, с;
q₂ – А – абсорбционный фактор,

l₀ –q₂₀, m – коэффициент распределения и среднее значение константы фазового равновесия; N_ОГ, N_ож — общие числа единиц переноса, отнесенные к газовой или жидкой фазе.
q₃ – – концентрация свободного (несвязанного) компонента А в жидкости, (кмоль/м³);

здесь K – константа равновесия, В,С,… – в растворе являющийся молекулы (или ионы), М,N – продукты реакции; а,b,c,…,m.n,… – cтехиометрические коэффициенты.
q₄ – а_е – эффективная поверхность контакта (м^-1);

где – объемный коэффициент массоотдачи в жидкой фазе, кмоль/(м³ · с) или (с^-1); – коэффициент массоотдачи в жидкой фазе;
q₅ – F – поверхность (м²);

здесь a – q₁; V – объем, м³;
q₆ – f – фугитивность (летучесть) компонента;

Здесь P – гидравлическое сопротивление,Па; γ – коэффициент активности;
q₇ – h_Г, h_ж –– высота единицы переноса в газовой и жидкой фазе (м);

где U_х – расход поглотителя на единицу площади поперечного сечения; L₀ – u₁, G₀ – расход инертного газа, β_yυ, — объемный коэффициент массоотдачи в газовой фазе, кмоль/(м³ · с) или (м/с); β_xυ, β_жυ— объемный коэффициент массоотдачи в жидкой фазе, кмоль/(м³ · с) или (с^-1); - площадь поперечного сечения абсорбера(м²);
q₈ – h_ОГ, h_ож –– общие высоты единицы переноса, отнесенной к газовой и жидкой фазе (м);

где U_х – u₁, U_y – расход инертного газа; G₀ – расход инертного газа; K_yv – объемный коэффициент массопередачи. отнесенный к газовой фазе, кмоль/(м³∙с) или с^-1; K_хv, K_жv – объемный коэффициент массопередачи, отнесенный к жидкой фазе, кмоль/(м³ ∙ с) или с^-1; – площадь поперечного сечения абсорбера(м²);
q₉ – K_v – объёмный коэффициент массопередачи;

где a – q₁; К –поверхностный коэффициент массопередачи;
q₁₀ – n_г; n_ж — кратность циркуляции газа или жидкости.
Уравнений рециркуляции материального баланса абсорбера можно написать в виде:

где x₀ и y₀ – концентрации свежих жидкости и газа, x и y – мольная доля в жидкости и мольная доля в газе (индексы обозначают 1-сторона входа в абсорбер, 2-сторона выхода из абсорбера);
q₁₁ – t — время, с;

где l – u₅, w₀ – приведенная скорость потока, -доля сечения аппарата, занятая потоком; V_ап – рабочий объем аппарата, V – объемный расход потока;
q₁₂ – U — плотность орошения, м/с.

где V_ж – объемный расход жидкости (м³/с); – площадь поперечного сечения абсорбера (м²);
q₁₃ – u — скорость жидкости, м/с.

где b_cр – средняя ширина потока на тарелке, h₀ – высота светлой жидкости (м), V_ж – объемный расход газа или жидкости (м³/с);
q₁₄ – w — скорость газа (м/с):

где с_min – коэффициент, для тарелок [5];
для колпачковых тарелок: ρ_ж,ρ_Г – q₁₆, — доля живого сечения, ζ – коэффициент местного сопротивления; безразмерная длина, Δh – гидравлический градиент;
q₁₅ – — количество поглощенного компонента ( );

где а –q₁, Δy_ср – средняя движущая сила абсорбции по газовой фазе, K_у – коэффициент массопередачи, отнесенный к газовой фазе, кмоль/(м² ·с), ( ) или м/с, – площадь поперечного сечения абсорбера (м²), H – высота абсорберов (м);
q₁₆ – ρ — плотность, кг/м³.

где φ – коэффициент извлечения; (индексы ж, г и п – соответственно жидкость, газ и пена);
q₁₇ – Φ — дифференциальная теплота растворения, кДж/кмоль;

где R = 8,31 — газовая постоянная, кДж/(кмоль ∙ К), T – абсолютная температура (К), m_px – коэффициент распределения и среднее значение константы фазового равновесия;
q₁₈ – — коэффициент гидравлического сопротивления (трения).
Для расчета [5] используются следующее коэффициенты:
Для ситчатых тарелок:
Для колпачковых тарелок:
где h_k – высота верхнего обреза прорези над плоскостью тарелки; h_б – высота слоя жидкости над верхним краем прорези, Re – критерий Рейнолдьса ;
q₁₉ – — коэффициент теплоотдачи, кВт/(м² ∙К),

где St – критерий Стантона, с – теплоемкость (кДж/(кмоль∙К)), ρ – q₁₆, w^/ - cредняя скорость потока;
q₂₀ – l₀ – удельный расход поглотителя;

где L₀ – u₁, G₀ –u₂, m – коэффициент распределения и среднее значение константы фазового равновесия, φ — коэффициент извлечения;

где u_i – управлящее воздействие.
Здесь u₁ – L – расход рассола ( м³) (L — расход жидкости, (кмоль/с или кг/с), L₀ — расход носителя в жидкой фазе, (кмоль/с);
u₂ – θ^/ — температура охлаждающего агента, °С.

где Q – тепловой поток (кВт), υ – q₈₃, – поверхность охлаждения, k^/ – коэффициент теплопередачи между средой в абсорбере и охлаждающим агентом;
u₃ – P_Г – давление газа (Па);
Ρ — общее давление, Па.

где С – u₄, R = 8,31 — газовая постоянная, кДж/(кмоль ∙ К), T —абсолютная температура (К), y – мольная доля в газе;
отношение между парциальным и общим давлениями:

p — парциальное давление (Па);

p = Py ;
где Ρ – общее давление, y – мольная доля в газе;
u₄ – C_г – объемная концентрация газа (н.д.).
C – концентрация (мольно-объёмная), (кмоль/м³);

где – единица измерения объемной концентрации равна кг/м³; М_к – мольная масса (масса 1 кмоль), кг/кмоль.; n_Г,n_ж – q₁₀; A – q₂;
Y — относительная мольная концентрация газа;

где С – C_г – объемная концентрация газа (н.д.), P – u₃, R = 8,31 — газовая постоянная, кДж/(кмоль ∙ К), T – абсолютная температура (К), y – мольная доля в газе;
u₅ – l_ап – длина аппарата, м.

где Pe – критерий Пекле, ε – ε_г, ε_ж — коэффициент продольного перемешивания в газовой или жидкой фазе (м²/с), w – q₁₄;

где z_k – возмущающее воздействии;
такие как z₁ – — температура жидкости (слабоаммонизированного рассола и аммонизированного рассола) во время абсорбции и карбонизации (°С);

где G₀ – расход инертного газа, c^/ – теплоемкость газовой смеси, отнесен­ную к 1 кмоль инертнего газа, – q₁₉, t₀ – температура газа, °С, F –q₅;
z₂ – температура окружающий среды;
z₃ – концентрация CO₂ печного газа;
z₄ – концентрация газа из отделении кальцинации;
z₅ – концентрация (NH₃+CO₂) печного газа;
z₆ – температура газа из отделении кальцинации;
z₇ – температура (NH₃+CO₂) печного газа;
z₈ – Щелочи в стенках охлаждающих установках, образованного в процессе абсорбции и т.д.
Y – выходные данные;

где y_j – выходные данные аммонизировано-карбонизированного рассола, суспензии бикарбоната натрия и выходные газы из абсорбции (NaCl+H₂O+NH₃ и частично CO₂) выходные газами после карбонизации (NaCl+H₂O+NH₃+CO₂).
Таким образом, здесь приведены некоторые особенности технологии производство кальцинированной соды как объекта математического моделирования. Представлены и проанализированы входные, выходные, возмущающие и управляющие параметры процессов абсорбции и карбонизации с целью математического моделирования.

Список литературы:

1. 
   Беспалов А.В., Харитонов Н.И. Системы управления химико-технологическими процессами. Йошкар-Ола, «Марийский полиграфическо-издательский комбинат» 2007 г.
   
2. 
   Имаев Д.Х., Ковальски З., Кузьмин Н.Н., Пошехонов Л.Б., Цапко Г.П., Яковлев В.Б. «Анализ и синтез систем управления» Спб., Гданьск, Сургут, Томск, 1998 г.
   
3. 
   Крашенников С.А. Технология кальцинированной соды и очищенного бикарбоната натрия. Москва, «Высшая школа», 1985 г.
   
4. 
   Мельников Е.Я., Салтанова В.П., Наумова А.М., Блинова Ж.С. Технология неорганических веществ и минеральных удобрений. Москва, «Химия», 1983 г.
   
5. 
   Рамм В.М. Абсорбция газов. Москва, «Химия», 1976 г.