楊云峰 祝 杰 葉世超 劉振華

（四川大學化工學院)

0 前言

硝酸磷肥的生產(chǎn)中會產(chǎn)生大量的廢氣，其主要成分有氨氣、氮氧化合物、水蒸氣等[1]，且氨的濃度可達30%左右[2]。排放含氨尾氣不僅會造成資源浪費和環(huán)境污染，而且還會影響人們的身體健康[3-4]。

目前，國內(nèi)尾氣脫氨大多使用板式塔和填料塔等設(shè)備，并取得了一些研究進展。孟曉麗[5]等采用旋轉(zhuǎn)填料床，以酸性廢水為吸收液，對磷肥尾氣中的氨氣脫除進行了中試研究，并與傳統(tǒng)塔設(shè)備進行了對比。趙銳[6]等以鼓泡塔為原型，使用高速攝像裝置對氨氣的鼓泡吸收特性進行了可視化試驗研究，并給出了最大氣泡體積、最大吸收高度以及舍伍德數(shù)的試驗關(guān)聯(lián)式。劉清華[7]等以油田化學品中試車間改造項目中含氨廢氣的回收處理工藝設(shè)計為例，比較了板式塔和填料塔的優(yōu)缺點并結(jié)合項目的實際工況進行選擇。國外研究者Amaris和Vaittinen等[8-9]對利用特殊材料吸收微量氨氣進行了實驗研究。填料塔易堵塞，不利于連續(xù)生產(chǎn)，而噴淋塔結(jié)構(gòu)簡單、不易堵塞、氣體阻力小[10]，但目前有關(guān)噴淋塔脫氨的研究鮮見報道。本文對噴淋塔內(nèi)利用酸溶液吸收氨氣進行了實驗研究，并得到了各操作參數(shù)對體積傳質(zhì)系數(shù)的影響，以期為實際生產(chǎn)提供指導。

1 實驗裝置及計算方法

1.1 實驗裝置及流程

本文所建立的噴淋塔脫氨實驗系統(tǒng)如圖1所示，實驗原料及儀器如表1所示。鋼瓶氨氣和空氣混合后制成模擬尾氣，吸收劑采用pH=1的稀硝酸溶液。尾氣自噴淋塔底部進入，自下而上流經(jīng)吸收段；吸收液經(jīng)多孔分布板分散后從塔頂對尾氣進行噴淋，氣液兩相在吸收段內(nèi)進行逆流接觸。完成傳質(zhì)過程后，脫氨尾氣從塔頂排出，經(jīng)旋風除霧后由引風機抽出排空。噴淋塔內(nèi)徑0.1 m，吸收區(qū)高1.77 m，分布板孔徑1.5 mm，孔間距7 mm，開孔率0.9%。這種直孔分布板可將液體均勻地分散成2～3 mm液滴，能夠模擬工業(yè)噴嘴的實際工況，且可保證液滴垂直下落，避免落到塔壁上。

圖1 噴淋塔脫氨裝置

1.2 計算方法

在氣液吸收過程中，利用HNO3溶液吸收NH3的平均傳質(zhì)速率方程可表示為[11]：

所以

表1 實驗原料及儀器

其中

因為氨氣在水中的溶解度很高，且本文用pH=1的稀硝酸濃液作為吸收劑，所以液相傳質(zhì)阻力認為近似等于零。

將式 （3）、 式 （4） 代入式 （2） 可得：

式中GA——傳質(zhì)速率，g/s；

D——噴淋塔直徑，m；

KYa——體積傳質(zhì)系數(shù)，s-1；

H——噴淋塔高度，m；

Q——氣體流量，m3/s；

c1——入口氨濃度，g/m3；

c2——出口氨濃度，g/m3；

τ——停留時間，s。

2 結(jié)果與討論

2.1 空塔氣速對體積傳質(zhì)系數(shù)的影響

在入口氨濃度c(NH3)=3000 mg/m3，噴淋密度 L=63.66 m3/（m2·h）， 進氣溫度 20 ℃條件下， 體積傳質(zhì)系數(shù)KYa隨空塔氣速ug變化的關(guān)系曲線如圖2所示。由圖2可知，隨著空塔氣速的增加，KYa持續(xù)增大，且增加速度變快。將空塔氣速從1.2 m/s增加到2.8 m/s，KYa值增加了60%。從雙膜理論中膜的阻力來分析，增大氣體流量，不但可以減小氣膜阻力，增加有效氣液接觸面積，還可以增強傳質(zhì)推動力[12]，且硝酸溶液吸收氨氣為氣膜控制，因此提高氣體流速可以極大地增加總體積傳質(zhì)系數(shù)。

圖2 空塔氣速對體積傳質(zhì)系數(shù)的影響

2.2 噴淋密度對體積傳質(zhì)系數(shù)的影響

在空塔氣速ug=1.95 m/s，入口氨濃度c(NH3)=3000 mg/m3，常溫常壓條件下，氨的體積傳質(zhì)系數(shù)KYa隨噴淋密度變化的關(guān)系曲線如圖3所示。從圖3可以看出，氨的氣相總體積傳質(zhì)系數(shù)KYa隨噴淋密度的增加而增大，且變化速率逐漸減小。L從25 m3/（m2·h） 增加到 40 m3/（m2·h） 時， KYa 增加了36%， 但從 40 m3/（m2·h）增加到 80 m3/（m2·h） 時，KYa僅增加了13%。其原因可以從下述兩方面來分析。一方面，增大噴淋密度使塔橫截面的液滴密度明顯增大，液滴的密度越大，暴露在模擬煙氣中的液滴總面積就越大，因而液體與氣體的傳質(zhì)面積也就越大[13]。此外，噴淋密度的增大還導致液相湍動增加，液膜層變薄，液膜表面更新速度增大。另一方面，隨著噴淋密度的變大，液滴之間的聚并現(xiàn)象也越來越明顯，總的液滴面積的增加變得緩慢。

圖3 噴淋密度對體積傳質(zhì)系數(shù)的影響

2.3 吸收液溫度對體積傳質(zhì)系數(shù)的影響

在空塔氣速ug=1.95 m/s，入口氨濃度c(NH3)=3000 mg/m3， 噴淋密度 L=63.66 m3/（m2·h） 條件下，氨的氣相總體積傳質(zhì)系數(shù)KYa隨吸收液溫度Tl的變化關(guān)系曲線如圖4所示。從圖4可以看出，在低溫時，KYa隨著吸收液溫度升高而增大，并且在30℃時達到最大。當吸收液溫度超過30℃后，KYa開始下降。根據(jù)雙膜理論，影響KYa的主要因素有氣相傳質(zhì)系數(shù)、無化學反應(yīng)的液相傳質(zhì)系數(shù)、氣體亨利系數(shù)和化學反應(yīng)增強因子。而氣相傳質(zhì)系數(shù)又與氣體擴散系數(shù)相關(guān)，無化學反應(yīng)的液相傳質(zhì)系數(shù)也與溶質(zhì)在液相的擴散系數(shù)相關(guān)[14]。當溫度升高時，氣體擴散系數(shù)和液相擴散系數(shù)會增大；但當溫度過高時，反而不利于反應(yīng)的進行，因此出現(xiàn)了圖中由最高點向下的變化趨勢。

圖4 吸收液溫度對體積傳質(zhì)系數(shù)的影響

2.4 混合氣溫度對體積傳質(zhì)系數(shù)的影響

在空塔氣速ug=1.95 m/s，入口氨濃度c(NH3)=3000 mg/m3， 噴淋密度 L=63.66 m3/（m2·h） 條件下，氨的氣相總體積傳質(zhì)系數(shù)KYa隨混合氣體溫度Tg變化的關(guān)系曲線如圖5所示。從圖5可以看出，隨著氣體溫度的增加，KYa緩慢增加，氣體溫度從30℃增加到70℃時，KYa增加了8%。雖然，隨著氣體溫度的增加，氣體的流速增加，且在本實驗中氣體流速對總傳質(zhì)系數(shù)的影響又很顯著，但由于液相對氣相的冷卻作用明顯，氣速的增加非常有限，因此KYa的變化緩慢，幾乎可以忽略。

圖5 混合氣溫度對體積傳質(zhì)系數(shù)的影響

2.5 入口氨濃度對體積傳質(zhì)系數(shù)的影響

在空塔氣速ug=1.95 m/s，噴淋密度L=63.66 m3/（m2·h），常溫常壓條件下，氨的總體積傳質(zhì)系數(shù)KYa隨入口氨濃度c(NH3)變化的關(guān)系曲線如圖6所示。從圖6可以看出，隨著入口氨濃度的增加，KYa幾乎不變。這是因為，氨的吸收過程主要是化學吸收在起作用。一方面，入口氣體中氨的體積分數(shù)增加，即氣相中氣膜阻力降低，擴散速率增加，有利于吸收，從而使總傳質(zhì)系數(shù)增加[15]；另一方面，氨氣分壓增加，使吸收反應(yīng)逐漸由氣液相界面向液相移動，導致總傳質(zhì)系數(shù)降低[16]。吸收液中氫離子的濃度一定，則吸收氨氣的量也一定。當吸收液的pH值與氣、液流量一定時，入口氨氣濃度越高，則平均單位質(zhì)量的氨氣所得到的吸收液越少，后續(xù)的吸收速率也越低，致使化學反應(yīng)增強因子降低，從而使總體積傳質(zhì)系數(shù)減小。綜上所述各因素，增加入口氨濃度對KYa影響較小。

圖6 入口氨濃度對體積傳質(zhì)系數(shù)的影響

3 結(jié)論

（1）提高空塔氣速或增大噴淋密度，氣相總體積傳質(zhì)系數(shù)增大，有利于吸收的進行?；旌蠚怏w溫度和入口氨濃度對氣相總體積傳質(zhì)系數(shù)影響較小。提高吸收液溫度，氣相總體積傳質(zhì)系數(shù)先增大后減小。

（2）根據(jù)實驗條件，用pH=1的吸收液吸收氨氣時，空塔氣速1.95 m/s，應(yīng)保持噴淋密度L=40 m3/（m2·h），如此可以達到最好的傳質(zhì)效果。

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