湍球塔吸收低濃度尾氣NH3的傳質(zhì)系數(shù)研究

王文輝 豆瑞剛 夏素蘭 張趁華 程遠(yuǎn)貴 四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院 成都 610065

燃燒化石能源導(dǎo)致大氣層中CO2含量急劇增加，工業(yè)煙氣碳減排任務(wù)越來(lái)越急迫。目前氨法脫碳被認(rèn)為是一種捕集CO2的經(jīng)濟(jì)可行辦法［1］，但控制尾氣氨含量的技術(shù)措施例如冷凍氨法等尚在研發(fā)之中［2］，此外捕集封存CO2的CCS 碳減排路線尚有爭(zhēng)議［3］。本學(xué)院提出了“低濃度煙氣CO2直接礦化磷石膏聯(lián)產(chǎn)硫基復(fù)肥”的循環(huán)利用路線［4］，該工藝以NH3為輔助原料促使磷石膏溶解，鈣離子與CO2礦化生成碳酸鈣的同時(shí)硫酸根與氨結(jié)合生成硫酸銨，尾氣不可避免也含微量氨(2000～5000 ppm)。我國(guó)現(xiàn)行環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)［5］控制工業(yè)尾氣排放氨含量小于20mg/m3，歐美標(biāo)準(zhǔn)［6］則更嚴(yán)格，要求小于10ppm。而煙氣碳減排的工藝特點(diǎn)之一是氣體流量大、余壓低，因此脫除煙氣碳減排尾氣微量氨的技術(shù)不僅要高效而且要低阻。根據(jù)氣液吸收的雙膜理論，在吸收液氨濃度很低或溶液中有強(qiáng)酸性離子的條件下，氣相微量氨的吸收應(yīng)是氣膜控制過(guò)程。通過(guò)提高液體比表面積和氣液界面湍動(dòng)的途徑可以有效強(qiáng)化過(guò)程同時(shí)避免增加氣體流動(dòng)阻力，為此本文利用湍球塔具有這兩方面性質(zhì)的優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)了易于操作的湍球塔脫除尾氣微量氨的實(shí)驗(yàn)裝置，驗(yàn)證湍球塔的脫氨效果，獲得了總體積傳質(zhì)系數(shù)隨操作參數(shù)的變化規(guī)律，可供工業(yè)過(guò)程設(shè)計(jì)參考。

1 總體積傳質(zhì)系數(shù)計(jì)算

根據(jù)雙膜理論，在氣液接觸的擬穩(wěn)態(tài)過(guò)程中，水溶液吸收NH3的傳質(zhì)速率NA可以表示為傳質(zhì)系數(shù)Kg和氣相平均推動(dòng)力的乘積［7-9］:

設(shè)湍球塔的單元靜止床層高度為dZ，dZ 微元段內(nèi)傳質(zhì)速率為NA，填料提供的傳質(zhì)面積dF =aΩdZ，則通過(guò)傳質(zhì)面積dF 的溶質(zhì)A 的傳質(zhì)量與在dZ 段內(nèi)溶質(zhì)A 由氣相轉(zhuǎn)入液相的量Vdy 相等:

將式(1)帶入式(2)得:

對(duì)上式在湍球塔靜止床層高度方向上積分得:

則:

可根據(jù)下式計(jì)算相平衡常數(shù)m:

本體系中NH3的濃度很小，溶液的總濃度Cm［10］:

可用下式計(jì)算亨利常數(shù)H［11］:

其中，Ai= 3.932，Bi= - 1879.02，Ci= 0，Di=0，Ei= -355134.1。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置及流程

實(shí)驗(yàn)裝置流程見(jiàn)圖1。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置

主體設(shè)備為湍球塔，塔內(nèi)徑為100 mm，塔高為300mm，填料為聚丙烯塑料小球?？諝庥蓺怏w鼓風(fēng)機(jī)經(jīng)流量計(jì)進(jìn)入混合管路，NH3與CO2氣體均由鋼瓶經(jīng)減壓閥、流量計(jì)后進(jìn)入混合管路，氣體經(jīng)充分混合后進(jìn)入塔底與吸收液逆流接觸反應(yīng)后由塔頂排出，吸收液由恒流泵經(jīng)流量計(jì)進(jìn)入塔頂，由塔底流出。塔體在塔頂與塔底均有氣體取樣口，在取樣口處連接POT -400 型NH3與CO2在線分析儀，可以實(shí)時(shí)檢測(cè)塔體內(nèi)進(jìn)口與出口處的NH3與CO2的濃度，在塔底設(shè)有液體取樣口，檢測(cè)經(jīng)由逆流洗滌后的液相中氨的含量。通過(guò)改變NH3進(jìn)口濃度、氣體流量、水流量、床層高度等條件，得到各組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用式(5)計(jì)算得到不同操作條件下的總體積傳質(zhì)系數(shù)Kga。

2.2 實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)中TCA 入口氣體溫度為20℃，操作壓力為101.3kPa，其他條件見(jiàn)表1。

2.3 實(shí)驗(yàn)誤差分析

為了測(cè)定實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的精度每組實(shí)驗(yàn)通過(guò)3 次重復(fù)實(shí)驗(yàn)操作，測(cè)得NH3的出口濃度標(biāo)準(zhǔn)偏差為1%，說(shuō)明實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具有很好的重復(fù)性。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，主要的測(cè)量誤差來(lái)源于氣體流量計(jì)、液體流量計(jì)和POT-400 型NH3在線分析儀，其中氣體與液體流量計(jì)的精度分別為: ± 2.5% 與±1.5%;進(jìn)、出口NH3在線分析儀的精度為:±3%F. S. (量程分別為:0 ～7000 ppm、0 ～100ppm)。

表1 湍球塔參數(shù)及實(shí)驗(yàn)條件

3 結(jié)果與討論

3.1 混合氣中有無(wú)CO2時(shí)的Kga 比較

為考察化學(xué)吸收與物理吸收對(duì)Kga 的影響，保持實(shí)驗(yàn)過(guò)程中操作條件為:氣體流量0.25kmol/h，摩爾液氣比1 ～6，NH3進(jìn)口濃度3500ppm。不同液氣比時(shí)化學(xué)吸收與物理吸收的Kga 比較見(jiàn)圖2。

圖2 化學(xué)吸收與物理吸收Kga 比較

在相同液氣比時(shí)，化學(xué)吸收比物理吸收時(shí)的Kga 增大了63%，這是由于CO2存在時(shí)有如下反應(yīng)［12-13］:

減少了液相中游離氨的濃度增大吸收氨的推動(dòng)力，加速了氣相氨的吸收速率［14］，化學(xué)吸收過(guò)程主要受氣膜控制。

3.2 液氣比與填料高度對(duì)Kga 影響

實(shí)驗(yàn)中保持氣體流量為0.89kmol/h，NH3進(jìn)口濃度為3500ppm 不變。在液氣比為1 ～6，填料高度為0.04m、0.06m、0.08m、0.10m 時(shí)，液氣比與填料高度對(duì)Kga 的影響見(jiàn)圖3。

圖3 液氣比與床層高度對(duì)Kga 影響

當(dāng)液氣比在2.8 以下時(shí)，隨著液速增加Kga 呈增大趨勢(shì)，這是由于隨著液氣比增大，氣液相間的有效接觸面積a 增大，單位時(shí)間內(nèi)液相吸收的氨分子增多。當(dāng)液氣比大于2.8 時(shí)Kga 趨于平緩，繼續(xù)增加液氣比對(duì)吸收過(guò)程幾乎不再有貢獻(xiàn)，是由于此時(shí)吸收過(guò)程已基本為氣膜控制。由此，在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)當(dāng)確定最佳液氣比。

在其他條件相同時(shí)，隨著床層高度的增加Kga逐漸增大，但填料高度不宜超過(guò)塔高的1/3，床層越高塔頂部越容易發(fā)生液泛，因而在工業(yè)生產(chǎn)中需選擇合適的填料高度。

3.3 流化數(shù)對(duì)Kga 影響

流化數(shù)對(duì)總傳質(zhì)系數(shù)的影響見(jiàn)圖4。

圖4 流化數(shù)對(duì)Kga 影響

保持液體流量分別為1.33kmol/h 和1.77 kmol/h，進(jìn)口NH3濃度為2600ppm，填料高度為0.08m 不變。流化數(shù)從1 增加到3 時(shí)，總傳質(zhì)系數(shù)的值增大1 倍。這是由于吸收低濃度尾氣氨時(shí)受到氣膜阻力的影響，氣速增加使氣液接觸表面不斷更新，氣膜阻力減小而傳質(zhì)性能逐漸提高，但不能過(guò)大，由于氣體流速增大后氣體在塔中的停留時(shí)間減小而影響NH3的脫除效率。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定了不同條件下湍球塔中吸收低濃度尾氣氨的Kga，結(jié)果表明:

(1)通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證得到湍球塔吸收低濃度尾氣氨的傳質(zhì)過(guò)程主要由氣膜控制。

(2)化學(xué)吸收比物理吸收過(guò)程的Kga 值增大近63%。

(3)Kga 隨著液氣比的增大先逐漸增大然后趨于平緩，在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)確定最佳的液氣比。

(4)Kga 隨著流化數(shù)增加而逐漸增大，但不宜過(guò)大，由于氣速增加NH3在吸收塔內(nèi)停留時(shí)間減小而降低脫除效率。

(5)隨填料層高度增加而增大，但不宜過(guò)大，這是由于床層越高床層頂部越容易發(fā)生液泛，因而在工業(yè)生產(chǎn)中需選擇合適的填料高度。

1Engineering Chemistry Research，1997，36 (6):2490-2493.

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6 EC (European Commission)，2001. Directive 2001/81/EC of the European Parliament and the Council of 23 October 2001 on national emission ceilings for certain atmospheric pollutants.

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12 S. P. S. ，Andrew. A Rapid Method of Measuring Absorption Rates and Its Application to CO2 Absorption Into Partially Carbonated Ammonia Liquor ［J］. Chemical Engineering Science，1954，3 (6):279 -286.

13 Robert E Tsai，A Frank Seibert，R Bruce Eldridge，et al. A Dimensionless Model for Predicting the Mass- transfer Area of Structured Packing ［J］. Aiche Journal，2011，57 (5):1173 -1184.

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