劉振華 ， 祝　杰 ， 葉世超 ， 楊云峰 ， 曾曉娟

(四川大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院 ， 四川 成都　610065)

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噴淋塔尾氣除氨的實(shí)驗(yàn)研究

劉振華 ， 祝杰 ， 葉世超 ， 楊云峰 ， 曾曉娟

(四川大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院 ， 四川 成都610065)

摘要：在噴淋吸收塔中，以氨氣、空氣、稀硝酸溶液為實(shí)驗(yàn)物系，通過(guò)條件試驗(yàn)，分別考察了噴淋密度、空塔氣速、入口氨濃度、吸收液pH值及氣液相溫度對(duì)氨吸收率的影響。結(jié)果表明：氨吸收率隨吸收液噴淋密度的增加而增大；增加空塔氣速將導(dǎo)致氨吸收率下降；氨吸收率隨吸收液pH值增大呈先下降后趨緩的趨勢(shì)。pH值大于3時(shí)，pH值對(duì)吸收率影響不顯著；入口氨濃度和氣體溫度對(duì)吸收率的影響較小；系統(tǒng)溫度主要受液溫控制，且吸收率隨液體溫度的升高而降低。

關(guān)鍵詞：噴淋塔 ； 氨氣 ； 吸收率 ； 傳質(zhì)速率

硝酸磷肥[1]生產(chǎn)過(guò)程中，部分氨[2]不能被充分利用而以尾氣的形式排放，造成嚴(yán)重的環(huán)境污染和資源浪費(fèi)。硝酸磷肥尾氣溫度高、排量大，且含大量水氣、惰性氣體及低含量(約1%)氨氣，宜采用吸收法對(duì)氨進(jìn)行回收利用[3]。目前工業(yè)上的吸收操作主要在塔器中進(jìn)行，以填料塔[4-5]應(yīng)用最為廣泛，但硝酸磷肥尾氣中含有氟硅酸水霧，容易引起填料堵塞。相比而言，噴淋塔[5-6]結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能耗低，操作彈性大而穩(wěn)定，無(wú)堵塞，特別適用于硝酸磷肥尾氣處理[7]。

國(guó)內(nèi)自20世紀(jì)80年代已有氨回收的相關(guān)報(bào)道，李瓊玖[8]綜述了氮肥生產(chǎn)中18種氨回收工藝，重點(diǎn)針對(duì)回收三氣(銅洗再生氣、合成弛放氣和液氨貯罐氣)中的氨，氨濃度較高，雜質(zhì)含量少，回收的氨主要用于制備濃氨水；胡元?jiǎng)俒9]對(duì)比了兩段吸氨法和一段吸氨法的優(yōu)缺點(diǎn)，并對(duì)吸收氨填料塔進(jìn)行設(shè)計(jì)；祝杰等[10-11]考查了不同噴淋量及空塔氣速對(duì)塔內(nèi)不同高度處液滴Sauter 平均直徑(SMD)的影響，并從液滴受力分析入手推導(dǎo)了石灰石—石膏脫硫噴淋塔吸收區(qū)高度的計(jì)算模型；吳振元等[7]通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)考察了噴淋塔脫氨性能，并以單因素實(shí)驗(yàn)探索得到適宜的尾氣脫氨工藝條件。迄今為止系統(tǒng)考察溫度和pH值對(duì)氨吸收效果影響的研究還鮮見報(bào)道。本文擬采用噴淋塔化學(xué)吸收尾氣中的氨，以空氣/氨氣混合氣模擬硝酸磷肥尾氣，稀硝酸溶液作為吸收液，通過(guò)條件試驗(yàn)，考察操作條件、吸收液pH值及溫度對(duì)氨吸收率的影響。

1實(shí)驗(yàn)部分

1.1　實(shí)驗(yàn)裝置及流程

建立噴淋塔吸收氨實(shí)驗(yàn)裝置流程如圖1所示。風(fēng)機(jī)輸送的空氣經(jīng)孔板流量計(jì)計(jì)量后進(jìn)入加熱器，之后與氨氣按一定比例混合作為模擬尾氣進(jìn)入噴淋塔底部；吸收液儲(chǔ)槽設(shè)置有吸收劑加熱裝置，吸收劑經(jīng)循環(huán)泵以一定流量輸送至吸收塔塔頂，并通過(guò)液體分布板均勻分布成小液滴后對(duì)氣體進(jìn)行噴淋，氣液兩相逆流接觸傳熱傳質(zhì)；氣相經(jīng)塔頂旋風(fēng)除霧后排空；吸收塔內(nèi)徑100 mm，塔高1.77 m，分布板孔徑1.5 mm，開孔率1.63%。實(shí)驗(yàn)原料及儀器如表1所示。

1.漩渦氣泵　2.孔板流量計(jì)　3.空氣加熱器　4.氨氣鋼瓶

儀器名稱型號(hào)生產(chǎn)廠家磁力驅(qū)動(dòng)泵20CQ-12型上海永久工業(yè)泵廠旋片真空泵2XZ-1型浙江黃巖黎明實(shí)業(yè)有限公司pH計(jì)CT-6023型深圳市科迪達(dá)電子有限公司漩渦氣泵HG2200S型上海富力電機(jī)廠澤國(guó)分廠轉(zhuǎn)子流量計(jì)LZB-3F型蘇州化工儀表有限公司轉(zhuǎn)子流量計(jì)LZB-6F型余姚市遠(yuǎn)大儀表廠氣泡吸收管北京華儀三譜儀器有限公司氨氣鋼瓶市售去離子水自制

1.2　分析計(jì)算方法

采用HJ 533-2009納氏試劑分光光度法檢測(cè)進(jìn)氣相中的氨濃度，噴淋塔脫氨吸收率定義為：

式中：η為氨吸收率，%；c(NH3，in)為入口氣相中的氨濃度(體積質(zhì)量，下同)，mg·m-3；c(NH3，out)為出口氣相中的氨濃度，mg·m-3。

2結(jié)果及討論

2.1　噴淋密度對(duì)氨吸收率的影響

實(shí)驗(yàn)條件：空塔氣速為1.95 m·s-1，入口氨濃度為 3 000 mg·m-3，系統(tǒng)溫度為20 ℃，對(duì)比了吸收液pH值分別為1和7，噴淋密度L對(duì)氨吸收率的影響，結(jié)果如圖2所示。

圖2　噴淋密度對(duì)吸收率的影響

由圖2可見，在維持吸收液pH值一定的條件下，氨吸收率隨著噴淋密度的增大而增大，當(dāng)噴淋密度達(dá)到63.6 m3/(m2·h)后，吸收率增幅趨緩；對(duì)于一定的噴淋密度條件下，吸收液pH值越低，氨吸收率越高，pH值對(duì)吸收率的提升幅度隨噴淋密度的增加而減小。這是由于隨著噴淋密度的增加，塔內(nèi)有效傳質(zhì)面積增大，傳質(zhì)速率加快，而增大噴淋密度也會(huì)使液滴停留時(shí)間縮短，對(duì)傳質(zhì)不利；而降低吸收液pH值，有助于強(qiáng)化化學(xué)吸收的效果，且噴淋密度越低，化學(xué)吸收對(duì)傳質(zhì)過(guò)程影響越大。

2.2　空塔氣速對(duì)氨吸收率影響

維持噴淋密度為63.6 m3/(m2·h)，入口氨濃度為3 000 mg/m3，系統(tǒng)溫度為20 ℃。分別在吸收液pH值為7和pH值為1的條件下，測(cè)得空塔氣速ug對(duì)氨吸收率的影響，結(jié)果如圖3所示。在吸收液pH值為7條件下，隨著空塔氣速的增加，氨吸收率呈現(xiàn)下降趨勢(shì)；空塔氣速的增加對(duì)氨吸收效率的影響表現(xiàn)在兩方面：一方面是提高氣體流速可以增強(qiáng)氣液兩相的湍動(dòng)，降低氣液界面的傳質(zhì)膜厚度，提高傳質(zhì)效率；另一方面，空塔氣速增加，使得氣相在塔內(nèi)的停留時(shí)間減少，傳質(zhì)不充分，氨吸收率隨之下降。對(duì)于低氣速條件下，噴淋塔內(nèi)傳質(zhì)充分，化學(xué)吸收與物理吸收區(qū)別不顯著，當(dāng)空塔氣速增大，pH值為1時(shí)吸收液的吸收容量更大，氨吸收率在一定氣速范圍內(nèi)更穩(wěn)定。

圖3　空塔氣速對(duì)吸收率的影響

2.3　入口氨濃度對(duì)氨吸收率的影響

空塔氣速為1.95 m/s，噴淋密度為63.66 m3/(m2·h)的條件下，pH值分別為1和7時(shí)，吸收率隨入口氨濃度變化的關(guān)系曲線，見圖4。

圖4　入口氨濃度對(duì)吸收率的影響

由圖4可知，氨的吸收率隨著入口氨濃度的增加變化不大。在同一入口氨濃度下，pH值為1時(shí)的吸收率大于pH值為7時(shí)的吸收率。這是由于脫氨過(guò)程中化學(xué)吸收占主導(dǎo)，雖然氣相入口氨濃度增加，但液相中游離氨的濃度改變很小，對(duì)化學(xué)平衡影響很微弱，因此隨著入口氨濃度的增加吸收率基本不變。

2.4　pH值對(duì)氨吸收率的影響

控制空塔氣速1.95 m/s，噴淋密度為63.6 m3/(m2·h)，入口氨濃度為3 000 mg/m3的實(shí)驗(yàn)條件。對(duì)比研究不同吸收液pH值對(duì)氨吸收率的影響，結(jié)果如圖5所示。當(dāng)pH值<3時(shí)，氨吸收率隨吸收液pH值的增大而下降，當(dāng)pH值>3時(shí)，吸收率隨pH值的增大幾乎不變。出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因是，在吸收脫氨操作中，存在物理吸收和化學(xué)吸收兩種吸形式。當(dāng)pH值<3時(shí)，化學(xué)吸收占主導(dǎo)，隨著pH值的增大，化學(xué)吸收增強(qiáng)因子減小，液相傳質(zhì)阻力增大，故吸收率下降；而當(dāng)pH值>3時(shí)，吸收過(guò)程主要表現(xiàn)為物理吸收，因此pH值的改變對(duì)吸收率的影響不顯著。

圖5　pH值對(duì)吸收率的影響

2.5　溫度對(duì)氨吸收率的影響

圖6、圖7分別為不同pH值條件下氣相和液相溫度(這是入口溫度)對(duì)吸收率的影響關(guān)系。實(shí)驗(yàn)條件：空塔氣速為1.95 m/s，入口氨濃度為 3 000 mg/m3。

圖6顯示，隨著氣相溫度的升高，吸收率變化范圍很小，可視為氣相溫度對(duì)吸收率影響不大。而圖7可見，隨著液相溫度升高，吸收率呈明顯下降趨勢(shì)，且高pH值條件下下降趨勢(shì)更為顯著。由于氨氣是極易容氣體，吸收過(guò)程屬氣膜控制。由于氣液兩相比熱容差距較大，兩相接觸傳熱后，氣體溫度將趨近于液體溫度，故氣體溫度改變對(duì)整個(gè)操作體系溫度影響不大，體系溫度主要取決于液相溫度。故氣相溫度對(duì)吸收率影響不大。而隨著液相溫度升高氣液界面處NH3平衡分壓升高，氨吸收率下降，當(dāng)pH值較低時(shí)，化學(xué)吸收逐漸顯著，隨著溫度升高增加了液相中參與化學(xué)反應(yīng)的離子活性，有利于吸收，故pH值為7時(shí)吸收率隨液相溫度升高而下降的趨勢(shì)相比pH值為1時(shí)更顯著。

圖6　氣相溫度對(duì)吸收率的影響

圖7　液相溫度對(duì)吸收率的影響

3結(jié)論

氨吸收率隨吸收液噴淋密度的增加而增大，噴淋密度大于63.6 m3/(m2·h)時(shí)，增幅趨緩。空塔氣速增加會(huì)導(dǎo)致氨吸收率下降，入口氨濃度對(duì)氨吸收率影響不大。氨吸收率隨吸收液pH值增大而降低，pH值大于3時(shí)，pH值升高對(duì)吸收率的影響不顯著。溫度對(duì)吸收率的影響主要表現(xiàn)在液相溫度，氣相溫度對(duì)吸收率改變不大。當(dāng)液相溫度升高時(shí)，吸收率隨溫度的升高而降低，且pH值越大下降趨勢(shì)越明顯。

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Experimental Study on Ammonia Absorption of Tail Gas in Spray Column

LIU Zhenhua ， ZHU Jie ， YE Shichao ， YANG Yunfeng ， ZENG Xiaojuan

(College of Chemical Engineering , Sichuan University , Chengdu610065 , China)

Abstract:In the spray absorption tower,using ammonia gas,air,dilute nitric acid solution as the experimental system,the condition test respectively investigates the spray density,gas velocity,inlet ammonia concentration,the pH value of absorbing liquid and gas liquid temperature effect on ammonia absorption rate.The result shows that the ammonia absorption rate increases with the increase of absorbing liquid spray density;increasing the gas velocity will be led to decreasing ammonia absorption rate;ammonia absorption rate increases with the pH value of absorbing liquid shows a trend of slow after the first drop.When pH value is greater than 3, pH influence on the absorption rate is not significant;entrance of ammonia concentration and temperature of the gas phase have less effect on the absorption rate;temperature system is mainly controlled by liquid temperature, temperature and absorption rate decreases with the temperature increasing of liquid.

Key words:spray tower ； ammonia ； absorptivity ； mass transfer rate

作者簡(jiǎn)介：劉振華 (1989- )，男，在讀碩士研究生，研究方向傳質(zhì)與分離技術(shù)，E-mail:lzh11wss@163.com；通訊作者：葉世超(1956-)男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事傳質(zhì)與分離、流態(tài)化與多相流技術(shù)的科學(xué)研究，shichaoye@sina.com。

收稿日期：2015-02-05

中圖分類號(hào)：TQ028.21

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-3467(2015)05-0022-04