田建榮

（金堆城鉬業(yè)股份有限公司,陜西 渭南 714000）

1 化學(xué)產(chǎn)品工程的概念及其發(fā)展

化學(xué)產(chǎn)品工程是美國(guó)普林斯頓大學(xué)的W ei和美國(guó)明尼蘇達(dá)大學(xué)的 Cussler等針對(duì)當(dāng)前化學(xué)工業(yè)的變化趨勢(shì)提出的,是以產(chǎn)品為導(dǎo)向的化學(xué)工程學(xué)科,主要解決何種產(chǎn)品和生產(chǎn)該種產(chǎn)品,以滿足性能、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、市場(chǎng)諸方面的要求。

隨著化學(xué)工業(yè)和化學(xué)工程學(xué)科的發(fā)展,許多國(guó)家的專家學(xué)者對(duì)這一重大課題都進(jìn)行了研究和探索,化學(xué)工程逐漸將其他領(lǐng)域的技術(shù)整合到由熱力學(xué)、熱量和質(zhì)量傳遞及單元操作構(gòu)成的,具有統(tǒng)一性的工程學(xué)科整體中,促進(jìn)了化學(xué)產(chǎn)品工程理念的發(fā)展。

化學(xué)產(chǎn)品工程解決問(wèn)題的主要步驟包括定位產(chǎn)品的功能、確認(rèn)產(chǎn)品功能與其化學(xué)組成或空間構(gòu)成的內(nèi)在關(guān)系、設(shè)計(jì)或改進(jìn)產(chǎn)品,簡(jiǎn)單的說(shuō)就是需求、創(chuàng)意、篩選、制造4個(gè)步驟[1～3]。

產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)是化學(xué)產(chǎn)品工程研究的中心內(nèi)容,但是也可以在某些化工生產(chǎn)單元以化學(xué)產(chǎn)品工程的理念對(duì)其生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行分析,并加以改進(jìn),達(dá)到改進(jìn)工藝,提高生產(chǎn)效率的目的。氨溶是鉬酸銨生產(chǎn)過(guò)程中承接AQM產(chǎn)品和ADM產(chǎn)品的重要工序,生產(chǎn)過(guò)程以AQM、氨氣、ADM母液和純水為原料,在一定的生產(chǎn)條件下生成氨溶液,然后進(jìn)入蒸發(fā)結(jié)晶生成ADM。氨溶生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)生一系列以放熱反應(yīng)為主的化學(xué)反應(yīng),如果以氨溶過(guò)程作為一個(gè)系統(tǒng)來(lái)研究,這部分熱源屬于系統(tǒng)內(nèi)熱量,過(guò)濾母液帶來(lái)的熱量屬于系統(tǒng)外熱量。由于生產(chǎn)過(guò)程中作為原料之一的氨氣屬于易揮發(fā)、有刺激性氣味的氣體,所以在這里我們擬以化學(xué)產(chǎn)品工程的理念找到降低氨氣揮發(fā)程度的方法,以達(dá)到降低生產(chǎn)成本,改善車(chē)間生產(chǎn)環(huán)境的目的。

圖1 ADM生產(chǎn)環(huán)節(jié)簡(jiǎn)圖

2 以化學(xué)產(chǎn)品工程理念對(duì)氨溶的生產(chǎn)過(guò)程要素進(jìn)行分析

2.1 氨氣的物理化學(xué)性質(zhì)分析

氨分子的空間結(jié)構(gòu)是三角錐形,3個(gè)氫原子處于錐底,氮原子處在錐頂。每 2個(gè)N-H鍵之間夾角為 107°18’,因此,氨分子屬于極性分子。相對(duì)分子質(zhì)量 17.031,易溶與水,氨溶于水時(shí),氨分子與水分子通過(guò)氫鍵結(jié)合成一水合氨 （NH3·H2O）,一水合氨能小部分電離成銨離子和氫氧根離子,另外氨氣的一個(gè)重要物理性質(zhì)是隨著溫度的升高,氨氣在水中的溶解度降低,反之溫度降低有利于氨氣在水中的溶解,下面是常壓下氨在水中的溶解度與其在氣相的分壓之間的關(guān)系。

圖2 氨在水中的溶解度

由溶解度曲線圖（圖 2）可看出：

（1）在溶劑（水）中,氨氣的溶解度很大。

（2）相同溶質(zhì)在相同溫度下,隨著氣體分壓的提高,在液相中的溶解度加大。

（3）氨氣在相同的氣相分壓下,溶解度隨溫度降低而加大。

根據(jù)圖2中的數(shù)據(jù),可以得到氨氣在一個(gè)大氣壓分壓不同溫度下在水中的溶解度（見(jiàn)表 1）。

表1 不同溫度下氨氣在水中的溶解度

從表 1的數(shù)據(jù)可以得出,一個(gè)大氣壓下氨氣在水中的溶解度,與溫度成反比例關(guān)系,在 0～50℃范圍內(nèi),每升高 10℃溶解度就降低 100 g左右,溫度大于 50℃,水合氨（NH3·H2O）開(kāi)始朝分解的方向進(jìn)行,游離態(tài)的氨氣就會(huì)大量逸出,氨氣在水中的溶解度急劇下降,氨溶工序生產(chǎn)中的溫度在70～75℃左右,如果通過(guò)改進(jìn)工藝使操作溫度降低,就可以節(jié)約生產(chǎn)成本,改善生產(chǎn)環(huán)境。

2.2 熱源分析

分析過(guò)程中,以氨溶工序?yàn)楠?dú)立系統(tǒng)進(jìn)行考慮,其他則為系統(tǒng)外因素,生產(chǎn)過(guò)程產(chǎn)生的熱量主要有2種,一種是反應(yīng)熱；另一種是系統(tǒng)外熱源。反應(yīng)熱有氨氣和水反應(yīng)生成氨水的反應(yīng)過(guò)程,反應(yīng)方程式如下：

NH3+H2O=NH4·OH

鉬酸銨溶于稀氨水也產(chǎn)生大量的熱。系統(tǒng)外熱源主要是生產(chǎn)ADM過(guò)程中的母液帶進(jìn)來(lái)的,這2種熱源進(jìn)入體系,是造成體系溫度升高的主要因素。

2.3 熱量累計(jì)效應(yīng)的形成

經(jīng)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行熱源分析,可以得到操作溫度過(guò)高的原因,一方面投料過(guò)程中投料間隙可以對(duì)熱量積累產(chǎn)生影響,投料間隙長(zhǎng),一部分熱量可以散發(fā)出去,系統(tǒng)內(nèi)部溫度升高慢,反之,系統(tǒng)內(nèi)部溫度升高快；另一方面體系外的熱源——母液的溫度較高,在生產(chǎn)中測(cè)量其溫度在90～95℃,比正常的氨溶液溫度高20℃左右,這部分熱源加入系統(tǒng)內(nèi)也造成熱量累積效應(yīng),致使體系的溫度升高,所以只有找到消除熱量累積效應(yīng)的方法,才能解決操作溫度過(guò)高的問(wèn)題。

3 化學(xué)產(chǎn)品工程方法在氨溶生產(chǎn)實(shí)踐中的應(yīng)用

3.1 需求

從目前氨溶工序的生產(chǎn)實(shí)際來(lái)看,該工序主要的原副材料有AQM、液氨和水,存在的主要問(wèn)題是氨氣耗量高,生產(chǎn)環(huán)境比較惡劣,需要解決的問(wèn)題是減少氨氣的耗量,降低成本,改善車(chē)間的生產(chǎn)環(huán)境。

3.2 創(chuàng)意和篩選

創(chuàng)意即通過(guò)分析生產(chǎn)要素而得到解決問(wèn)題的方法,篩選就是對(duì)這些方法優(yōu)選,得到符合實(shí)際情況的方法,這 2個(gè)步驟在實(shí)際應(yīng)用中往往同時(shí)進(jìn)行。

通過(guò)上述分析,可以找到問(wèn)題的癥結(jié)是如何降低工藝的操作溫度,這就需要對(duì)操作過(guò)程的熱源進(jìn)行分析,并找到減少熱源和利于散熱的工藝條件,得到消除熱量累積效應(yīng)的方法。

在系統(tǒng)中熱量傳遞的介質(zhì)主要有水、空氣、鋼材。氨溶釜是一個(gè)有夾套和保溫層的不銹鋼反應(yīng)容器,釜上有抽風(fēng)管道,傳熱途徑有水 -空氣、水 -鋼材（有保溫層和夾套）,熱量從水到鋼材的傳遞由于有保溫層和夾套,熱量逸出體系外的很有限,而水 -空氣過(guò)程中雖然空氣是熱的不良導(dǎo)體,但在生產(chǎn)中卻是熱量的主要載體,在風(fēng)管風(fēng)量一定的情況下,每次增加熱量累積的時(shí)間間隙是消除熱量累積的有效方法；對(duì)于系統(tǒng)外熱量對(duì)系統(tǒng)影響的消除,可以采取隔離系統(tǒng)的方法,即在操作完成后,再加入母液,使系統(tǒng)外的熱量不對(duì)操作過(guò)程產(chǎn)生影響,方可達(dá)到目的。

在此過(guò)程中,優(yōu)選到的創(chuàng)意有,①以時(shí)間間隙的增加消除熱量積累；②以時(shí)序置換的方式消除系統(tǒng)外熱源對(duì)過(guò)程的影響。

3.3 制造

根據(jù)上述以化學(xué)產(chǎn)品工程的理念對(duì)氨溶工序操作的分析,可以對(duì)現(xiàn)有的操作方法進(jìn)行改進(jìn),傳統(tǒng)氨溶的操作過(guò)程是把生產(chǎn)ADM的母液平均分配在氨溶釜中,再加入純水至刻度值,然后加入AQM,同時(shí)通入氨氣,反應(yīng)過(guò)程平均溫度 75～80℃,反應(yīng)時(shí)間0.5 h。為了有效控制反應(yīng)熱的累積,進(jìn)行了如下實(shí)驗(yàn),在其他生產(chǎn)條件不變的情況下,分別在0.5 h內(nèi)把AQM分1、3、5次投完,對(duì)操作溫度進(jìn)行測(cè)量,結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 投料次數(shù)與操作溫度的關(guān)系

從表 2實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出,少量多次的投料有利于熱量散發(fā),降低操作溫度。

所以對(duì)操作方法進(jìn)行以下改進(jìn),先在釜中加入純水至標(biāo)準(zhǔn)刻度以下,緩緩?fù)ㄈ氚睔?分5次加入AQM,操作溫度平均在 55～60℃,完成操作后再將溫度較高的母液返回氨溶釜。操作過(guò)程中平均溫度比原有的操作溫度降低20℃左右,利用氨氣溶解度曲線圖進(jìn)行測(cè)算,每 1 000 g溶液中最少可以多溶解200 g的氨氣,應(yīng)用新操作方法,每生產(chǎn) 1 m3氨溶液可以節(jié)約 200 g左右的氨氣,降低了生產(chǎn)成本,同時(shí)改善了生產(chǎn)環(huán)境。

4 結(jié)語(yǔ)

在化學(xué)工程新的發(fā)展前沿——化學(xué)產(chǎn)品工程理念的指導(dǎo)下,對(duì)鉬酸銨生產(chǎn)氨溶工序進(jìn)行改進(jìn),以需求、設(shè)計(jì)、制造和應(yīng)用為主線,采用系統(tǒng)分析和實(shí)際監(jiān)測(cè)的方法,對(duì)氨溶的生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行重新設(shè)計(jì),優(yōu)化了生產(chǎn)工藝,生產(chǎn)成本大大降低,生產(chǎn)環(huán)境得到改善。

[1]劉錚,金涌,魏飛,等.化學(xué)工程科學(xué)發(fā)展的回顧與思考[J].化工進(jìn)展,2002,21（2）：87-91.

[2]錢(qián)宇,潘吉錚,江燕斌,等.化學(xué)產(chǎn)品工程的理論和技術(shù)[J].化工進(jìn)展,2003,22（3）：217-223.

[3]陸小華,劉暢,楊祝紅,等.用化工產(chǎn)品工程理念指導(dǎo)新型二氧化鈦光催化劑的制備和應(yīng)用進(jìn)展.現(xiàn)代化工,2007.27（11）：14-15.