碳酸鉀生產(chǎn)中除氨新工藝實驗研究

胡柏松，張帆，趙景利

（1.河北工業(yè)大學(xué)，天津 300130；2.石家莊信息工程職業(yè)學(xué)院）

碳酸鉀生產(chǎn)中除氨新工藝實驗研究

胡柏松1，張帆2，趙景利1

（1.河北工業(yè)大學(xué)，天津 300130；2.石家莊信息工程職業(yè)學(xué)院）

摘 要現(xiàn)有碳酸鉀生產(chǎn)工藝中采用蒸發(fā)除氨，由于除氨不徹底，導(dǎo)致蒸發(fā)二次蒸汽中含有大量氨氣和二氧化碳，使蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)大大降低，從而增加了蒸發(fā)能耗；另一方面，揮發(fā)出的氨氣和二氧化碳又難以集中回收，造成資源浪費，且增加原料成本費用。采用解吸法除氨，對料液溫度、氣液比、噴淋密度、氣提時間、初始濃度等因素進行研究。實驗結(jié)果表明，對于定量的處理料液，料液溫度、氣液比、噴淋密度、氣提時間對碳酸氫銨分解影響較大，初始濃度對其影響較小。最佳工藝參數(shù)：料液溫度為85℃、氣液體積比為30∶1、噴淋密度為55 m3/（m2·h），汽提時間為2.5 h，此時除氨率為95.48％。

關(guān)鍵詞：碳酸鉀；離子交換；解吸；除氨

離子交換法生產(chǎn)碳酸鉀在中國已有三十多年的歷史，廣大科研學(xué)者在離子交換、碳化、廢水處理等方面進行了廣泛研究［1-4］，但是對于離子交換完成液中存在的少量碳酸氫銨的處理還處在較低水平階段。目前，碳酸鉀廠在蒸發(fā)前處理階段采取的除氨方法為加熱蒸發(fā)，即在進入蒸發(fā)階段之前，利用加熱蒸汽間接加熱，碳酸氫銨部分分解，操作溫度一般為80～90℃，大部分碳酸氫銨進入蒸發(fā)階段。筆者利用解吸技術(shù)、填料塔傳質(zhì)單元，對離子交換完成液進行汽提法除氨，填料塔頂部加入預(yù)熱到一定溫度的離子交換液，塔底通入加熱空氣，塔底流出液繼續(xù)進入預(yù)熱器并與原料液混合，以此循環(huán)解吸料液。上升的加熱空氣與離子交換液在填料塔內(nèi)部充分接觸并進行質(zhì)量交換和能量交換，從而使料液更快速、充分地分解。填料大大增加了氣液接觸面積，增加反應(yīng)推動力，加速分解反應(yīng)進行，從而提高二氧化碳和氨氣在氣體中的含量，有利于氣體的集中收集和再次利用。

1 實驗主要設(shè)備

填料塔［5］，塔高為3m，填料高度為2 m，塔直徑為150 mm。實驗中使用的規(guī)整填料參數(shù)如表1所示。

表1 實驗所用的規(guī)整填料參數(shù)

2 實驗結(jié)果分析與討論

2.1 溫度對碳酸氫銨分解率的影響

由于實驗條件的限制，料液的溫度主要為65、75、85℃，不同料液溫度對碳酸氫銨分解率影響如圖1所示。由圖1可見，料液溫度的提高有利于碳酸氫銨的分解。在前1.0 h中，碳酸氫銨分解率呈直線上升趨勢，分解速度比較快。在1.0 h之后碳酸氫銨分解速度稍慢，但仍處于上升趨勢；到2.0 h之后分解率比較緩慢。溫度越高，碳酸氫銨的分解速度越快，這主要是因為碳酸氫銨的分解反應(yīng)屬于吸熱反應(yīng)，溫度的升高將促進反應(yīng)平衡向右移動。同時，生成的氨氣溶解度隨著溫度的升高而降低，有利于氨氣的逸出，從而更有效地除氨。通過提高加熱料液溫度可以提高碳酸氫銨的去除速率，考慮到后序蒸發(fā)過程、設(shè)備要求及能耗等因素，實驗選擇適宜的料液溫度為85℃。

圖1 料液溫度對碳酸氫銨分解的影響

2.2 氣液比對碳酸氫銨分解率的影響

圖2為不同氣液比對碳酸氫銨分解率的影響。

圖2 氣液比在不同噴淋密度時對碳酸氫銨分解率的影響

由圖2可見，隨著氣液比的增大，碳酸氫銨分解率也逐漸增加。從圖中曲線的變化趨勢可以看出，當(dāng)氣液體積比小于30∶1時，碳酸氫銨的分解率變化比較顯著，當(dāng)氣液體積比大于30∶1時，隨氣液比增加碳酸氫銨的分解率上升比較緩慢。當(dāng)氣液體積比小于30∶1時，噴淋密度一定時，由于氣體流量較小，氣相在上升過程中，氨氣分壓很快達到與液相濃度相平衡的狀態(tài)，碳酸氫銨將不再分解；因此，交換液中碳酸氫銨分解率趨于穩(wěn)定。從經(jīng)濟性角度分析，氣液體積比選擇在30∶1時比較合理。

2.3 噴淋密度對碳酸氫銨分解率的影響

噴淋密度的變化影響氣液接觸面積和接觸時間，噴淋密度減小可以增加氣液接觸面積和接觸時間，提高碳酸氫銨的分解率，但同時增加投資費用。料液預(yù)熱溫度為85℃時，在確定的最佳氣液體積比（30∶1）條件下，不同除氨時間下碳酸氫銨的分解率隨噴淋密度的變化規(guī)律如圖3所示。由圖3可見，當(dāng)噴淋密度小于55 m3/（m2·h）時，隨著噴淋密度的增加碳酸氫銨的分解率不斷提高；當(dāng)噴淋密度大于55 m3/（m2·h）時，隨著噴淋密度的增加碳酸氫銨的分解率開始減小。在較小的噴淋密度下或者減小了噴淋密度時，雖然增加料液在塔內(nèi)的停留時間，一次性通過塔的分解率較高，但對于處理一定量料液的循環(huán)系統(tǒng)來說，總的料液處理效率不高。當(dāng)增加噴淋密度時，高效汽提所需的點滴狀態(tài)容易被破壞，而形成水幕，氣液接觸面積減小，阻礙了傳質(zhì)，從而導(dǎo)致離子交換液的總分解率降低。

圖3 噴淋密度對碳酸氫銨分解率的影響

2.4 汽提時間對碳酸氫銨分解率的影響（圖4）

圖4 不同噴淋密度下時間對碳酸氫銨分解率的影響

由圖4可見，隨著時間延長，碳酸氫銨分解率逐漸增大。在反應(yīng)時間小于1 h時分解速度較快，呈直線上升趨勢；在反應(yīng)時間為1～2 h時，碳酸氫銨分解速度減慢，并趨于平緩。在噴淋密度為55 m3/（m2·h）時，反應(yīng)2 h和2.5 h時碳酸氫銨的分解率分別為92.5％和95.6％。結(jié)果表明，碳酸氫銨分解率速度隨著時間的延長逐漸變慢，如果反應(yīng)時間足夠長，碳酸氫銨可以完全分解。但考慮到碳酸鉀生產(chǎn)實際要求，因此選擇適宜的汽提時間為2.5 h。

2.5 初始濃度對碳酸氫銨分解率的影響（圖5）

圖5初始質(zhì)量濃度對除氨率的影響

由圖5可見，在其他條件一定時，原料液初始質(zhì)量濃度對碳酸氫銨分解率影響不大。

2.6 最佳除氨條件對碳酸氫鉀分解的影響

離子交換液中主要成分含有碳酸氫鉀、碳酸氫銨、碳酸鉀。實驗考察的重點是除氨的合理工藝條件，各實驗因素對碳酸氫鉀的影響僅做簡要的分析。圖6為填料塔形式一定時，在最佳解吸工藝條件［氣液體積比30∶1、預(yù)熱器預(yù)熱溫度85℃、噴淋密度為55 m3/（m2·h）］下，碳酸氫鉀分解率隨時間的變化規(guī)律。

圖6 最佳除氨工藝條件下碳酸氫鉀的分解率隨時間的變化規(guī)律

由圖6可見，碳酸氫鉀的分解率隨時間的增加而逐漸增大，但在前0.5 h時碳酸氫鉀的分解速度較慢，原因是NH4+很容易電離成游離態(tài)的NH3從溶液中逸出，因此與之相對應(yīng)的HCO3-也隨之電離為CO2進入氣相。CO2的增多抑制碳酸氫鉀分解。當(dāng)溶液中只有很少量的碳酸氫銨時，碳酸氫鉀的分解速度開始加快，如圖中0.5～1.0 h時間段所示；當(dāng)超過2 h時其分解率曲線開始變得平緩，氣提2.5 h時，分解率可達33.81％。由此可見，在碳酸氫銨高效分解的同時，碳酸氫鉀的分解率并不是很高。

3 結(jié)論

實驗結(jié)果表明，料液溫度、氣液比、噴淋密度、汽提時間等4個因素對除氨的影響很大，而原料液初始質(zhì)量濃度對其影響不大。最佳工藝參數(shù)：料液溫度為85℃（該溫度也在化工廠中實際料液溫度范圍之內(nèi)，從而不用其他熱源加熱）、氣液體積比為30∶1、噴淋密度為55 m3/（m2·h）、汽提時間為2.5 h，除氨率為95.48％。在最佳合理工藝條件下，離子交換液中碳酸氫鉀的分解率不高，僅為33.81％。與傳統(tǒng)加熱除氨相比，該工藝去除碳酸氫銨效率高，節(jié)約蒸汽消耗，有較好的經(jīng)濟效益。

參考文獻：

［1］王洪記，胡東山，路文學(xué).碳酸鉀工業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀［J］.化工技術(shù)經(jīng)濟，2002（2）:5-8.

［2］廖琳琳，孟了，陳石，等.影響吹脫塔對垃圾滲濾液氨吹脫效率因素研究［J］.工業(yè)安全與環(huán)保，2005，31（6）:29-31.

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［4］張鵬，劉春江，唐忠利，等.規(guī)整填料塔內(nèi)氣相流動的計算流體力學(xué)模擬［J］.天津大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)與工程技術(shù)版，2005，38（6）:503-507.

聯(lián)系方式：hubaisong@163.com

中圖分類號：TQ131.13

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1006-4990（2013）08-0021-03

收稿日期：2013-02-15

作者簡介：胡柏松（1981—），男，碩士，實驗師，主要研究方向為過程強化傳熱，已公開發(fā)表文章15篇。

Experimental study on a new ammonia removal process in potassium carbonate production

Hu Baisong1，Zhang Fan2，Zhao Jingli1
（1.Hebei University of Technology，Tianjin 300130，China；2.Shijiazhuang Information Engineering V ocational College）

Abstract:The ammonia is removed by evaporation in the existing potassium carbonate production process.As the ammonia cannot be removed completely，heat transfer of evaporator is decreased when a lot of NH3and CO2in the secondary steam，and evaporation energy consumption is increased accordingly.On the other hand，it is difficult to collect the volatilized NH3and CO2，resulting in waste of resources and the increasing of production cost.The desorption method，a new ammonia removal process was introduced and the influence factors，such as temperature of solution，air/liquid ratio，trickle density，air-stripping time，and initial concentration，were investigated.Results showed that quantitatively，the initial temperature of solution，air/ liquid ratio，trickle density，and air-stripping time has the greater influence on ammonium bicarbonate′s decomposition，whereas the initial concentration does not.The optimum technological parameters were determined as follows：the initial temperature of the solution was 85℃，air/liquid volume ration was 30∶1，trickle density was 55 m3/(m2·h)，and air-stripping time was 2.5 h.Under the optimum conditions，the eliminated rate of ammonia was 95.48％.

Key words:potassium carbonate；ion exchange；desorption；ammonia removal