喷淋塔尾气除氨的实验研究

刘振华 ， 祝　杰 ， 叶世超 ， 杨云峰 ， 曾晓娟

(四川大学 化学工程学院 ， 四川 成都　610065)



喷淋塔尾气除氨的实验研究

刘振华 ， 祝杰 ， 叶世超 ， 杨云峰 ， 曾晓娟

(四川大学 化学工程学院 ， 四川 成都610065)

摘要：在喷淋吸收塔中，以氨气、空气、稀硝酸溶液为实验物系，通过条件试验，分别考察了喷淋密度、空塔气速、入口氨浓度、吸收液pH值及气液相温度对氨吸收率的影响。结果表明：氨吸收率随吸收液喷淋密度的增加而增大；增加空塔气速将导致氨吸收率下降；氨吸收率随吸收液pH值增大呈先下降后趋缓的趋势。pH值大于3时，pH值对吸收率影响不显著；入口氨浓度和气体温度对吸收率的影响较小；系统温度主要受液温控制，且吸收率随液体温度的升高而降低。

关键词：喷淋塔 ； 氨气 ； 吸收率 ； 传质速率

硝酸磷肥[1]生产过程中，部分氨[2]不能被充分利用而以尾气的形式排放，造成严重的环境污染和资源浪费。硝酸磷肥尾气温度高、排量大，且含大量水气、惰性气体及低含量(约1%)氨气，宜采用吸收法对氨进行回收利用[3]。目前工业上的吸收操作主要在塔器中进行，以填料塔[4-5]应用最为广泛，但硝酸磷肥尾气中含有氟硅酸水雾，容易引起填料堵塞。相比而言，喷淋塔[5-6]结构简单，能耗低，操作弹性大而稳定，无堵塞，特别适用于硝酸磷肥尾气处理[7]。

国内自20世纪80年代已有氨回收的相关报道，李琼玖[8]综述了氮肥生产中18种氨回收工艺，重点针对回收三气(铜洗再生气、合成弛放气和液氨贮罐气)中的氨，氨浓度较高，杂质含量少，回收的氨主要用于制备浓氨水；胡元刚[9]对比了两段吸氨法和一段吸氨法的优缺点，并对吸收氨填料塔进行设计；祝杰等[10-11]考查了不同喷淋量及空塔气速对塔内不同高度处液滴Sauter 平均直径(SMD)的影响，并从液滴受力分析入手推导了石灰石—石膏脱硫喷淋塔吸收区高度的计算模型；吴振元等[7]通过正交实验考察了喷淋塔脱氨性能，并以单因素实验探索得到适宜的尾气脱氨工艺条件。迄今为止系统考察温度和pH值对氨吸收效果影响的研究还鲜见报道。本文拟采用喷淋塔化学吸收尾气中的氨，以空气/氨气混合气模拟硝酸磷肥尾气，稀硝酸溶液作为吸收液，通过条件试验，考察操作条件、吸收液pH值及温度对氨吸收率的影响。

1实验部分

1.1　实验装置及流程

建立喷淋塔吸收氨实验装置流程如图1所示。风机输送的空气经孔板流量计计量后进入加热器，之后与氨气按一定比例混合作为模拟尾气进入喷淋塔底部；吸收液储槽设置有吸收剂加热装置，吸收剂经循环泵以一定流量输送至吸收塔塔顶，并通过液体分布板均匀分布成小液滴后对气体进行喷淋，气液两相逆流接触传热传质；气相经塔顶旋风除雾后排空；吸收塔内径100 mm，塔高1.77 m，分布板孔径1.5 mm，开孔率1.63%。实验原料及仪器如表1所示。

1.漩涡气泵　2.孔板流量计　3.空气加热器　4.氨气钢瓶

仪器名称型号生产厂家磁力驱动泵20CQ-12型上海永久工业泵厂旋片真空泵2XZ-1型浙江黄岩黎明实业有限公司pH计CT-6023型深圳市科迪达电子有限公司漩涡气泵HG2200S型上海富力电机厂泽国分厂转子流量计LZB-3F型苏州化工仪表有限公司转子流量计LZB-6F型余姚市远大仪表厂气泡吸收管北京华仪三谱仪器有限公司氨气钢瓶市售去离子水自制

1.2　分析计算方法

采用HJ 533-2009纳氏试剂分光光度法检测进气相中的氨浓度，喷淋塔脱氨吸收率定义为：

式中：η为氨吸收率，%；c(NH3，in)为入口气相中的氨浓度(体积质量，下同)，mg·m-3；c(NH3，out)为出口气相中的氨浓度，mg·m-3。

2结果及讨论

2.1　喷淋密度对氨吸收率的影响

实验条件：空塔气速为1.95 m·s-1，入口氨浓度为 3 000 mg·m-3，系统温度为20 ℃，对比了吸收液pH值分别为1和7，喷淋密度L对氨吸收率的影响，结果如图2所示。

图2　喷淋密度对吸收率的影响

由图2可见，在维持吸收液pH值一定的条件下，氨吸收率随着喷淋密度的增大而增大，当喷淋密度达到63.6 m3/(m2·h)后，吸收率增幅趋缓；对于一定的喷淋密度条件下，吸收液pH值越低，氨吸收率越高，pH值对吸收率的提升幅度随喷淋密度的增加而减小。这是由于随着喷淋密度的增加，塔内有效传质面积增大，传质速率加快，而增大喷淋密度也会使液滴停留时间缩短，对传质不利；而降低吸收液pH值，有助于强化化学吸收的效果，且喷淋密度越低，化学吸收对传质过程影响越大。

2.2　空塔气速对氨吸收率影响

维持喷淋密度为63.6 m3/(m2·h)，入口氨浓度为3 000 mg/m3，系统温度为20 ℃。分别在吸收液pH值为7和pH值为1的条件下，测得空塔气速ug对氨吸收率的影响，结果如图3所示。在吸收液pH值为7条件下，随着空塔气速的增加，氨吸收率呈现下降趋势；空塔气速的增加对氨吸收效率的影响表现在两方面：一方面是提高气体流速可以增强气液两相的湍动，降低气液界面的传质膜厚度，提高传质效率；另一方面，空塔气速增加，使得气相在塔内的停留时间减少，传质不充分，氨吸收率随之下降。对于低气速条件下，喷淋塔内传质充分，化学吸收与物理吸收区别不显著，当空塔气速增大，pH值为1时吸收液的吸收容量更大，氨吸收率在一定气速范围内更稳定。

图3　空塔气速对吸收率的影响

2.3　入口氨浓度对氨吸收率的影响

空塔气速为1.95 m/s，喷淋密度为63.66 m3/(m2·h)的条件下，pH值分别为1和7时，吸收率随入口氨浓度变化的关系曲线，见图4。

图4　入口氨浓度对吸收率的影响

由图4可知，氨的吸收率随着入口氨浓度的增加变化不大。在同一入口氨浓度下，pH值为1时的吸收率大于pH值为7时的吸收率。这是由于脱氨过程中化学吸收占主导，虽然气相入口氨浓度增加，但液相中游离氨的浓度改变很小，对化学平衡影响很微弱，因此随着入口氨浓度的增加吸收率基本不变。

2.4　pH值对氨吸收率的影响

控制空塔气速1.95 m/s，喷淋密度为63.6 m3/(m2·h)，入口氨浓度为3 000 mg/m3的实验条件。对比研究不同吸收液pH值对氨吸收率的影响，结果如图5所示。当pH值<3时，氨吸收率随吸收液pH值的增大而下降，当pH值>3时，吸收率随pH值的增大几乎不变。出现上述现象的原因是，在吸收脱氨操作中，存在物理吸收和化学吸收两种吸形式。当pH值<3时，化学吸收占主导，随着pH值的增大，化学吸收增强因子减小，液相传质阻力增大，故吸收率下降；而当pH值>3时，吸收过程主要表现为物理吸收，因此pH值的改变对吸收率的影响不显著。

图5　pH值对吸收率的影响

2.5　温度对氨吸收率的影响

图6、图7分别为不同pH值条件下气相和液相温度(这是入口温度)对吸收率的影响关系。实验条件：空塔气速为1.95 m/s，入口氨浓度为 3 000 mg/m3。

图6显示，随着气相温度的升高，吸收率变化范围很小，可视为气相温度对吸收率影响不大。而图7可见，随着液相温度升高，吸收率呈明显下降趋势，且高pH值条件下下降趋势更为显著。由于氨气是极易容气体，吸收过程属气膜控制。由于气液两相比热容差距较大，两相接触传热后，气体温度将趋近于液体温度，故气体温度改变对整个操作体系温度影响不大，体系温度主要取决于液相温度。故气相温度对吸收率影响不大。而随着液相温度升高气液界面处NH3平衡分压升高，氨吸收率下降，当pH值较低时，化学吸收逐渐显著，随着温度升高增加了液相中参与化学反应的离子活性，有利于吸收，故pH值为7时吸收率随液相温度升高而下降的趋势相比pH值为1时更显著。

图6　气相温度对吸收率的影响

图7　液相温度对吸收率的影响

3结论

氨吸收率随吸收液喷淋密度的增加而增大，喷淋密度大于63.6 m3/(m2·h)时，增幅趋缓。空塔气速增加会导致氨吸收率下降，入口氨浓度对氨吸收率影响不大。氨吸收率随吸收液pH值增大而降低，pH值大于3时，pH值升高对吸收率的影响不显著。温度对吸收率的影响主要表现在液相温度，气相温度对吸收率改变不大。当液相温度升高时，吸收率随温度的升高而降低，且pH值越大下降趋势越明显。

参考文献：

[1]吴德桥, 陈红琼,钟本和,等.我国发展硝酸磷肥的生产工艺探讨[J].磷肥与复肥,2009,24 (4):36-39.

[2]焦晓云,蔺静.30万t/a合成氨装置(布朗流程)氨回收系统的改造与运行[J].化肥设计,2010, 48 (2):45-47.

[3]刘苹.2002-2003年合成氨、尿素技术进展[J].中氮肥,2003(5):56-63.

[4]Q Zeng,Y Guo,Z Niu,et al.Mass transfer coefficients for CO2absorption into aqueous ammonia solution using a packed column[J].Industrial & Engineering Chemistry Research,2011, 50 (17):10168-10175.

[5]R Kumar,P L Dhar,S Jain.Development of new wire mesh packings for improving the performance of zero carryover spray tower[J].Energy, 2011, 36 (2):1362-1374.

[6]M Ochowiak,L Broniarz-Press.The flow resistance and aeration in modified spray tower[J].Chemical Engineering and Processing: Process Intensification, 2011,50 (3):345-350

[7]吴振元, 叶世超,祝杰,等.喷淋塔硝酸磷肥尾气脱氨实验研究[J].环境工程,2014,32(4):438-440.

[8]李琼玖.氮肥生产的氨回收流程和设备及当前节能降耗的方向[J].化学工程,1983,2:67-78.

[9]胡元刚.大型氨厂弛放气中氨的回收[J].化工环保,1992(12):340-346.

[10]祝杰,吴振元,叶世超,等.喷淋塔液滴粒径分布及比表面积的实验研究[J].化工学报,2014,65(12):4710-4715.

[11]祝杰,吴振元,叶世超,等.石灰石—石膏脱硫喷淋塔吸收区高度计算模型[J].化工学报,2014,65(8):2897-2901.

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

作者简介：刘振华 (1989- )，男，在读硕士研究生，研究方向传质与分离技术，E-mail:lzh11wss@163.com；通讯作者：叶世超(1956-)男，教授，博士生导师，主要从事传质与分离、流态化与多相流技术的科学研究，shichaoye@sina.com。

收稿日期：2015-02-05

中图分类号：TQ028.21

文献标识码：A

文章编号：1003-3467(2015)05-0022-04