噴淋塔脫氨傳質(zhì)特性的實(shí)驗(yàn)研究

祝杰 葉世超 白潔 蘭冰 曹杰 呂路兵

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

硝酸磷肥尾氣含氨，放空前必須作氨回收處理。硝酸磷肥尾氣脫氨在技術(shù)上面臨兩大難題：一是尾氣中夾帶氟硅酸，易引起工業(yè)吸收設(shè)備-填料塔或板式塔的堵塞；二是尾氣的濕度高，溫度約70℃，吸收難度大。為此，擬采用噴淋塔[1,2]吸收工藝，以酸性溶液為吸收劑對(duì)尾氣進(jìn)行洗滌，借助化學(xué)吸收打破物理平衡，以提高氨回收率。由于噴淋塔是空塔，可望解決設(shè)備堵塞問(wèn)題[3,4]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)噴淋塔吸收特性作了大量研究。Pinilla 等[5]以SO2/NaOH/水為研究體系，考察了操作參數(shù)對(duì)體積傳質(zhì)系數(shù)的影響；鐘毅等[6,7]研究了濕法煙氣脫硫效率的影響因素，得到脫硫系統(tǒng)優(yōu)選的操作參數(shù)范圍；Kuntz 等[8]對(duì)比了噴淋塔與填料塔中MEA 捕集CO2的傳質(zhì)特性，得到了體積傳質(zhì)系數(shù)隨氣液流率及入口CO2濃度的變化規(guī)律；Dou 等[9]考察了操作參數(shù)對(duì)脫硫率的影響，關(guān)聯(lián)出脫硫率的半經(jīng)驗(yàn)計(jì)算式；繆明烽等[10]對(duì)濕法逆流噴淋脫硫系統(tǒng)進(jìn)行了傳質(zhì)特性的研究，并就關(guān)鍵參數(shù)對(duì)脫硫率的影響進(jìn)行了分析。然而現(xiàn)有噴淋塔傳質(zhì)特性研究主要集中在脫硫領(lǐng)域[11,12]，采用噴淋塔脫氨的研究鮮見(jiàn)報(bào)道。本文在自制的噴淋吸收塔中，以空氣/氨/稀硝酸溶液為實(shí)驗(yàn)物系，考察關(guān)鍵操作參數(shù)對(duì)體積傳質(zhì)系數(shù)的影響，以期為噴淋塔脫氨系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 反應(yīng)機(jī)制

采用硝酸溶液噴淋回收尾氣中的氨，在液相發(fā)生如下反應(yīng)：

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置及流程

建立噴淋塔脫氨實(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)入加熱器進(jìn)行加熱，鋼瓶氨氣經(jīng)計(jì)量后混入熱空氣中制成模擬尾氣，尾氣從噴淋塔底部進(jìn)入，自下而上流經(jīng)吸收段，脫氨尾氣經(jīng)旋風(fēng)除霧后由引風(fēng)機(jī)抽出排空；吸收液由循環(huán)泵輸送至塔頂，經(jīng)多孔分布板分散后對(duì)尾氣進(jìn)行噴淋，氣液兩相在吸收段內(nèi)逆流接觸，完成傳質(zhì)過(guò)程；塔釜設(shè)置加熱裝置來(lái)控制釜液溫度，同時(shí)補(bǔ)充新鮮吸收劑，維持吸收液的pH。吸收塔材質(zhì)為有機(jī)玻璃，以便于觀察塔內(nèi)液滴的運(yùn)動(dòng)狀況。噴淋塔內(nèi)徑0.1 m，吸收區(qū)高1.6 m，分布板孔徑2 mm，孔間距7 mm，開(kāi)孔率4.68%。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(shí)際情況，且可保證液滴垂直下落，避免落到塔壁上。實(shí)驗(yàn)原料及儀器詳見(jiàn)表1。

本實(shí)驗(yàn)采用HJ 533-2009 納氏試劑分光光度法分析氣相中的氨含量，吸收率的計(jì)算式為：

式中 η — 氨吸收率，%；

ρin— 入口氣相中的氨濃度（體積質(zhì)量，下同），mg/m3；

ρout— 出口氣相中的氨濃度，mg/m3。在噴淋塔微分塔段dh 內(nèi)，氣液傳質(zhì)速率方程可表示為：

式中 G — 煙氣流量，m3/s；

Kga — 體積傳質(zhì)系數(shù)，s-1；

D — 噴淋塔內(nèi)徑，m；

ρ — 氣相中的氨濃度，mg/m3；

h — 微元段距氣體入口處的高度，m。由于氨屬易溶氣體，在實(shí)驗(yàn)條件下，氨的平衡濃度ρ*≈0。將Kga 視為沿塔高的平均值，聯(lián)立式（4）與式（5）積分后可得：

式中 H — 吸收區(qū)高度，m。

將實(shí)驗(yàn)測(cè)得的吸收率代入式（6）即可求得噴淋塔脫氨體積傳質(zhì)系數(shù)。

圖1 噴淋脫氨流程簡(jiǎn)圖

2 結(jié)果及討論

2.1 噴淋密度對(duì)Kga 的影響

不同pH 下，噴淋密度（β）對(duì)Kga 的影響如圖2 所示。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，系統(tǒng)溫度為20℃。由圖2 可見(jiàn)，pH一定時(shí)，隨著噴淋密度的增大，Kga 不斷增大，當(dāng)噴淋密度達(dá)0.039 m3/（m2·s）后，Kga 增加趨于平緩。這是由于增大噴淋密度，塔內(nèi)有效傳質(zhì)面積增大[13]，傳質(zhì)速率加快，但繼續(xù)增大噴淋密度，液滴聚并概率增加，比表面積增加受限[9]。圖形還顯示，同一噴淋密度下，吸收液pH 值越低，Kga 越高，該差異在高噴淋密度時(shí)較大，這是因?yàn)榻档臀找簆H，式（1）反應(yīng)正向進(jìn)行，單位體積吸收液的吸收容量增大，進(jìn)而提高了氨吸收率，而增加噴淋量，這一影響更顯著。綜合考慮，優(yōu)選噴淋密度約0.039 m3/（m2·s）。

表1 實(shí)驗(yàn)儀器及原料

2.2 空塔氣速對(duì)Kga 的影響

在噴淋密度為0.039 m3/(m2·s)，入口氨濃度為 3 000 mg/m3，系統(tǒng)溫度為20℃的條件下。得到Kga 隨空塔氣速（ug）的變化趨勢(shì)如圖3 所示。圖形顯示，隨著空塔氣速的增加，Kga 呈先上升后下降的趨勢(shì)，并在空塔氣速為2.4 m/s 附近達(dá)到最大值；相同氣速下，吸收液pH 值越低Kga 越大。空塔氣速對(duì)Kga 的影響表現(xiàn)在兩方面：一方面是提高氣速可以加劇氣液兩相的湍動(dòng)，降低了界面處的傳質(zhì)膜厚度，提高傳質(zhì)系數(shù)[4,5]；另一方面，空塔氣速增加，氣液接觸時(shí)間縮短，傳質(zhì)不充分，且較高的氣速致使部分液滴落偏到壁面，導(dǎo)致塔內(nèi)比表面積減少[14]。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，在氣速低于2.4 m/s 時(shí)，前者是增大體積傳質(zhì)系數(shù)的主要因素，當(dāng)氣速過(guò)高時(shí)，后者的影響顯著，最佳的空塔氣速范圍為2～2.4 m/s。

2.3 入口氨濃度對(duì)Kga 的影響

入口氨濃度對(duì)Kga 的影響如圖4 所示。實(shí)驗(yàn)條件：空塔氣速為1.95 m/s，噴淋密度為0.039 m3/（m2·s），系統(tǒng)溫度為20℃。由圖4 可見(jiàn)，同一pH 值下，Kga 幾乎不隨入口氨濃度的增大而改變，pH=3 時(shí)的Kga 比pH=7 時(shí)的Kga 高約0.4 s-1。這可能是由于隨著入口氨濃度的增加，出口氨濃度也同等程度增大，即式（6）中ρin/ρout幾乎不變，導(dǎo)致入口氨濃度對(duì)Kga 影響不顯著，這與Bandyopadhyay[15]等人的研究結(jié)論類似。

2.4 吸收液pH 對(duì)Kga 的影響

空塔氣速為1.95 m/s（20℃），噴淋密度為0.039 m3/（m2·s），入口氨濃度為3 000 mg/m3，入口氣體溫度分別為20℃和70℃的條件下，吸收液pH 值對(duì)Kga的影響規(guī)律示于圖5。圖形顯示，隨著吸收液pH 的上升，Kga 略呈線性下降的趨勢(shì)。從理論上講，隨著pH 的降低，吸收液的吸收容量應(yīng)呈指數(shù)型增長(zhǎng)的趨勢(shì)，但pH 主要影響液相的傳質(zhì)阻力，對(duì)吸收的促進(jìn)作用有限。此外，低溫趨勢(shì)線處于高溫趨勢(shì)線的上方，說(shuō)明氣體溫度升高將不利于吸收，這是由于溫度升高，氨在液相中的溶解度降低，傳質(zhì)推動(dòng)力下降，吸收速率降低，最終形成圖5 所示的情形。

圖2 噴淋密度對(duì)Kga 的影響

圖3 空塔氣速對(duì)Kga 的影響

圖4 入口氨濃度對(duì)Kga 的影響

3 體積傳質(zhì)系數(shù)的關(guān)聯(lián)式

圖5 吸收液pH 對(duì)Kga 的影響

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論中可以看出，體積傳質(zhì)系數(shù)與噴淋密度、空塔氣速、物性、吸收液pH 及入口氣體溫度有關(guān)，可能氣體溫度主要表現(xiàn)為對(duì)傳質(zhì)推動(dòng)力的影響，在此可將其排除，因此，將Kga 表示為不定函數(shù)：

式中 β — 噴淋密度，m3/(m2·s)；

ug— 空塔氣速，m/s；

ν — 氣相運(yùn)動(dòng)粘度，m2/s。

現(xiàn)以雷諾準(zhǔn)數(shù)Re=Dug/ν 來(lái)表征氣相的特征速度及物性，可將式（7）表示為無(wú)因次量的冪指數(shù)乘積形式[16]：

帶入實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合參數(shù)a、b、c 后得噴淋塔脫氨體積傳質(zhì)系數(shù)經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式為：

適用范圍：0.024 m3/(m2·s)≤β ≤0.053 m3/(m2·s)，8 000 ≤Re ≤18 000，2 ≤pH ≤7，20 ℃≤T ≤70℃，1500 mg/m3≤ρin≤10 000 mg/m3。從式（9）中可以看出，主要參數(shù)對(duì)Kga 的影響順序?yàn)椋簢娏苊芏龋究账馑伲疚找旱膒H。

圖6 Kga 計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的比較

圖6 為體積傳質(zhì)系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)式計(jì)算值（式（9））與實(shí)驗(yàn)值的比較。從圖6 中可以看出，二者吻合較好，相對(duì)偏差在15%以內(nèi)，表明該體積傳質(zhì)系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式是可靠的。

4 結(jié)論

在自制的噴淋吸收塔中，以含氨空氣/稀硝酸溶液為研究體系，考察了噴淋密度、空塔氣速、吸收液pH、入口氨濃度及氣體溫度對(duì)體積傳質(zhì)系數(shù)的影響，所得結(jié)論如下：①Kga 隨噴淋密度增加而先增大后趨緩，適宜的噴淋密度為0.039 m3/(m2·s)；② 隨著空塔氣速的增加，Kga 呈現(xiàn)上升后下降的趨勢(shì)，合理的空塔氣速范圍在2～2.4 m/s；③ 降低吸收液pH 可提高Kga，但提升程度有限，氣體溫度升高將不利于吸收，入口氨濃度對(duì)Kga 幾乎無(wú)影響；④ 對(duì)傳質(zhì)影響因素進(jìn)行分析，得到Kga 的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式，其計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值吻合較好，可為尾氣脫氨噴淋塔的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

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