Введение. Пенные аппараты с высокой эффективностью используются для очистки отходящих газов, в том числе и от оксидов фосфора, тумана фосфорной кислоты и пыли [6]. При получении фосфатов натрия представляет интерес использовать для очистки газов маточные растворы динатрийфосфата с последующим возвратом раствора в производство тринатрийфосфата. Это позволит повысить концентрацию нейтрализованного раствора и исключить стадию упарки разбавленных растворов перед кристаллизацией.

Цель работы: получение отсутствующих в литературе сведений по массопередаче при поглощении оксида фосфора раствором динатрийфосфата в пенном аппарате.

Экспериментальная часть

Исследование проводили на опытном двухполочном пенном аппарате с решеткой со свободным сечением на первом слое 0,18 м²/м², 0,21 м²/м² на втором слое и диаметром отверстий 0,006 м. Степень абсорбции оксидов фосфора определяли по содержанию P₂O₅ в газе до и после слоя, определяемому фотоколориметрически [4].

Результаты и их обсуждения

Исследование абсорбции оксидов фосфора из газов, содержащих 30 г/м³ Р₂О₅, в пенном аппарате без стабилизатора пенного слоя, орошаемом водой, показало, что в интервале изменения скорости газа 1,5-2,5 м/с степень поглощения оксида возрастает с 73 до 82,5%. С увеличением высоты пенного слоя при установке стабилизатора пены степень поглощения возрастает соответственно до 86-92%. Двухполочный пенный аппарат имел на 1 слое решетку со свободным сечением S₀ = 0,18 м²/м², на втором слое S₀ = 0,21 м²/м², диаметр отверстий 0,006 м. Изменение доли пентаоксида фосфора в газе, поступающем на абсорбцию, в пределах 20-40 г/м³ Р₂О₅ практически не влияло на степень абсорбции. В аппарате со стабилизатором пенного слоя с увеличением скорости газа с 1,5 до 2,5 м/с коэффициент массопередачи линейно возрастает с 4500 до 7400 м/ч одновременно с увеличением высоты пены до 0,32 м. Увеличение плотности орошения с 5 до 10 (м³/м²*ч) повышает степень поглощения оксида фосфора на ~ 5%. Дальнейший рост плотности орошения сказывается менее значительно (на 1-1,5%). При орошении аппарата фосфорной кислотой степень поглощения практически остается на том же уровне, как и при абсорбции водой. Поскольку получаемая фосфорная кислота имеет низкие концентрации (12-18% P₂O₅), то было предложено [1-3] подавать на орошение пенного аппарата 25%-ный раствор динатрийфосфата. После абсорбции оксидов фосфора фосфатный раствор может быть возвращен на стадию приготовления содовой суспензии в производство тринатрийфосфата. В связи с этим изучена абсорбция оксидов фосфора 25%-ным раствором динатрийфосфата из газов с долей P₂O₅ 30 и 2 г/м³.

При орошении пенного аппарата раствором динатрийфосфата наряду с образованием кислоты проходит взаимодействие:

Na₂HPO₄+H₂O = Na H₂PO₄+NaOH;

NaOH+H₃PO₄=NaH₂PO₄+H₂O.

С увеличением доли динатрийфосфата в растворе, как видно из рисунка 1, степень поглощения в равных условиях возрастает на 3-3,5% одновременно с ростом высоты пенного слоя из-за изменения вязкости и поверхностного натяжения раствора.

Рис. 1. Зависимость степени абсорбции (η, %) пентаоксида фосфора раствором динатрийфосфата и высоты пенного слоя (h, м) от концентрации фосфата в растворе(С, %); (1 - со стабилизатором, 2 - без стабилизатора) при доле пентаоксида в газе 30 г/м³, L₀=10 м³/(м²*ч), d_Э=0,0006 м и W=2 м/с.

С увеличением скорости газа в пенном аппарате с 1,5 до 2,5 м/с степень абсорбции пентаоксида снижается в 1,01 раза (рис. 2) из-за уменьшения времени контакта газа и жидкости. Средняя степень абсорбции пентаоксида фосфора в пенном аппарате со свободным сечением S₀ = 0,18 м²/м² без стабилизатора составляет 83%, со стабилизатором пенного слоя 95% при плотности орошения 10 м³/(м²*ч). Температура раствора на выходе из пенного аппарата составляет 60-65 °С при орошении раствором с температурой 30 °С. При этом коэффициент массопередачи возрастает с 4300 до 8500 м/ч. Это в 1,18 раза выше, чем при поглощении водой.

Рис. 2. Влияние скорости газа (W, м/с) на степень поглощения пентаоксида фосфора раствором динатрийфосфата (η, %) (линии 1, 2, 3, 4) и коэффициента массопередачи при абсорбции (K_S, м/ч) (линии 1*, 2*, 3*, 4*) при доле динатрийфосфата в растворе (для 1,3,  1*, 3*) = 12%, и (для 2, 4, 2*, 4*) = 25%; (1,2,  1*, 2* - без стабилизатора, 3,4,  3*, 4* - со стабилизатором пенного слоя).

Эффективность абсорбции пентаоксида фосфора из газов, содержащих 2-3 г/м³ Р₂О₅, в пенном аппарате со свободным сечением решетки S₀ = 0,21 м²/м² со стабилизатором пены при плотности орошения 10-20 м³/(м²*ч) составляет 90-91,6% (рис. 3). Коэффициент массопередачи для интервала скоростей газа 1,5-2,5 м/с составляет 4500-8200 м/ч с увеличением высоты пенного слоя с 0,41 до 0,46 м.

Увеличение плотности орошения решетки в пенном аппарате со стабилизатором пенного слоя с 5 до 20 м³/(м²*ч) приводит к повышению эффективности поглощения оксидов фосфора раствором динатрийфосфата при скорости газа 2 м/с с 84 до 91,6%.

В результате абсорбции пентаоксида фосфора рН раствора снижается с 9,7 до 6-6,5. Полученный фосфатный раствор используется для поглощения оксидов фосфора в распылительной колонне, после прохождения которой раствор возвращается на стадию нейтрализации производства тринатрийфосфата. При соблюдении оптимальных режимов работы пенного аппарата отходящие газы содержат 50-100 мг/м³ оксида фосфора.

Дальнейшая очистка газов при прохождении волокнистого фильтра, заполненного полипропиленовым волокном с размером волокна 72 мкм, позволяет снизить содержание тумана фосфорной кислоты до значений менее ПДК в воздухе рабочей зоны.

Рис. 3. Влияние плотности орошения (L₀, м³/(м²*ч)) на степень абсорбции пентаоксида фосфора (η,%) и высоту пенного слоя (h, м) при скорости W=2,0 м/с, свободном сечении S₀ = 0,21 м²/м²  и  d_Э = 0,006 м.

Заключение

При абсорбции оксидов фосфора раствором динатрийфосфата степень поглощения на ~ 3% выше, чем при абсорбции водой или фосфорной кислотой. Степень абсорбции на первом слое достигает 95%, на втором слое 91,6%.

Рецензенты:

• Луконин В.П., д.техн.н., профессор, генеральный директор Федерального государственного унитарного предприятия «Научно-исследовательский институт химии и технологии полимеров им. акад. В.А. Каргина с опытным заводом» (ФГУП «НИИ Полимеров»), г. Дзержинск.
• Ширшин К.В., д.хим.н., профессор, заместитель директора Федерального государственного унитарного предприятия «Научно-исследовательский институт химии и технологии полимеров им. акад. В.А. Каргина с опытным заводом» (ФГУП «НИИ Полимеров») по научной работе, г. Дзержинск.