Отделение аммонизации

Физико-химические основы процесса аммонизации

Аммонизированный рассол, то есть рассол, содержащий аммиак, получают на содовых заводах в отделении аммонизации [1].

Основной задачей отделения является максимальное насыщение рассола аммиаком и попутно диоксидом углерода, который неизбежно присутствует в газовых потоках совместно с аммиаком.

Аммиак в производстве соды служит для накопления в рассоле ионов , необходимых для осаждения NaHCO₃ и для связывания иона Cl^– из NaCl.

При взаимодействии аммиака с СО₂ образуется NH₄HCO₃, который в дальнейшем при взаимодействии с хлоридом натрия образует гидрокарбонат натрия:

NH₃ + CO₂ + H₂O = NH₄HCO₃

NaCl + NH₄HCO₃ = NaHCO₃ + NH₄Cl

Аммиак не входит в состав конечного продукта – соды и после регенерации в отделении дистилляции из хлорида аммония возвращается вновь на аммонизацию рассола.

На аммонизацию аммиак поступает тремя потоками:

1. основной поток из отделения дистилляции, который содержит, % об.: аммиак – 50; пары воды – 24; диоксид углерода – порядка 26;

2. поток из отделения фильтрации: аммиак 0,5-2 % об.;

3. поток из отделения карбонизации: аммиак – до 10 %.

Учитывая, что основной поток из отделения дистилляции содержит максимальное количество аммиака, он проходит для более полного поглощения несколько аппаратов: ХГДС, АБ-2, АБ-1, ПГАБ; поток из отделения фильтрации проходит только ПВФЛ, а поток из отделения карбонизации – только ПГКЛ-2.

Рассол, проходя через перечисленные аппараты, обогащается аммиаком и диоксидом углерода и на выходе из отделения должен содержать: NH₃ - порядка 105 н.д., СО₂ – порядка 40 н.д.

Аммиак хорошо растворяется в воде, диоксид углерода – плохо, поэтому это необходимо учитывать при их совместной абсорбции.

Скорость процесса абсорбции зависит от следующих факторов:

,

где W – скорость абсорбции;

К – коэффициент;

F – поверхность контакта фаз;

∆Р – движущая сила процесса.

Так как аммиак растворяется хорошо, все усилия должны быть направлены на интенсификацию поглощения СО₂.

Из уравнения для скорости абсорбции видно, что влиять на скорость процесса можно в основном только путем создания развитой поверхности контакта фаз. Движущая сила процесса зависит от парциальных давлений СО₂, которые повышать нельзя.

Создание развитой поверхности контакта между жидкой и газовой фазами обеспечивается применением в аппаратах ряда массообменных элементов в виде барботажных колпачковых тарелок. Их конструкция обеспечивает создание необходимой поверхности контакта за счет образования пузырьков и пены.

Важным фактором в процессе аммонизации является температура. Так как процесс аммонизации состоит из нескольких стадий:

1. физическое поглощение аммиака и диоксида углерода;

2. образование карбамата аммония с выделением тепла:

2NH₃ + CO₂ NH₂COONH₄ + 68,3 кДж;

3. гидролиз карбамата аммония с поглощением тепла:

NH₂COONH₄ + H₂O NH₄HCO₃ +NH₃ – 27,6 кДж,

на них температура влияет не одинаково.

Если не отводить тепло, то температура в отделении аммонизации может возрасти до 90 ^оС и рассол не будет насыщен аммиаком и диоксидом углерода, так как такое повышение температуры приведет к процессу десорбции, поэтому необходима оптимальная температура, которая бы обеспечила протекание всех указанных стадий. Эта температура должна быть на уровне 55-60 ^оС.

Важным параметром для нормальной работы данного отделения является отношение NH₃:NaCl, которое не должно превышать 1,11-1,15. Если в рассоле буде больше аммиака, то в зоне абсорбции или на последующих стадиях возможно образование твердых углеаммонийных солей.

Также важным является подготовка газа, поступающего из отделения дистилляции. В нем содержится значительное количество паров воды. Если данный газ сразу отправить на абсорбцию, то пары воды разбавят рассол, что приведет к уменьшению концентраций компонентов, а следовательно уменьшится производительность. Поэтому газовый поток из отделения дистилляции сначала подают в ХГДС, основной задачей которого является снижение температуры потока и максимальная конденсация паров воды. В ХГДС газовый поток подается с температурой 75 ^оС. Охлаждать поток ниже 58 ^оС нельзя, так как учитывая состав паро-газовой фазы при указанной температуре начинается образование твердых углеаммонийных солей, что может привести к выходу из строя оборудования. Тем не менее в ХГДС не удается полностью избавиться от паров воды и они разбавляют рассол примерно на 4 %, при этом в указанном аппарате из этих паров образуется так называемая слабая жидкость в которой частично растворены аммиак и диоксид углерода. Эта слабая жидкость в дальнейшем подается на малую дистилляцию [1].

Технологическая схема отделения

Технологическая схема отделения представлена на рисунке.

Очищенный рассол из отделения рассолоочистки из напорного бака Б распределяется на 2 потока:

1. 25 % в ПВФЛ;

2. 75 % в ПГКЛ-2

и последовательно проходит ПВФЛ, ПГКЛ-2, ПГАБ, АБ-1 и АБ-2. Газовые потоки в зависимости от содержания компонентов проходят разное количество аппаратов. Аммонизированный рассол с содержанием аммиака 100-105 н.д. и диоксида углерода порядка 40 н.д. поступает в холодильник АТ, где охлаждается до 30 ^оС откуда через сборник аммонизированного рассола СБ2 направляется в отделение карбонизации.

Оборудование.

Все аппараты, кроме ХГДС, снабжены барботажными колпачковыми массообменными тарелками (до 28 колпачков на одной тарелке). Количество

Рисунок – Технологическая схема отделения аммонизации

тарелок в каждом из аппаратов различно: ПВФЛ – 4; ПГКЛ-2 – 6; ПГАБ – 4; АБ-1 – 5; АБ-2 – 3. Количество тарелок зависит от содержания компонентов в газовом потоке, поступающем в аппарат.

АБ-2 оборудован теплообменными элементами, предназначенными для отвода тепла и поддержания оптимальной температуры.

Перечисленные аппараты компонуются в виде одной колонны диаметром 2,8 м.

Влияние параметров на качество, экономику и экологию.

Основным параметром, оказывающим значительное влияние, является температура.

Если температура будет больше, чем 60 ^оС, то ухудшится процесс физической абсорбции, процесс образования карбамата аммония, что приведет к уменьшению содержания аммиака и диоксида углерода на выходе из отделения аммонизации (не будет достигнуто 105 н.д. по аммиаку и 40 н.д. по диоксиду углерода). Это приведет к увеличению расходных коэффициентов и снижению производительности по всей технологии. Также повышение температуры отрицательно скажется на процессах, проходящих в ПВФЛ и ПГКЛ-2, так как из-за ухудшения процесса поглощения, содержание аммиака и диоксида углерода на выходе из них будет выше регламентированного, что создаст определенные проблемы экологического характера.

Если температура в ХГДС будет меньше 58 ^оС, то будут образовываться твердые углеаммонийные соли, что приведет к увеличению расходных коэффициентов, снижению содержания аммиака, забивке оборудования и остановке технологии.

Если в ХГДС температура будет выше оптимальной (например, 65 ^оС), то сконденсируется меньше воды, в большей степени разбавится аммонизированный рассол и, следовательно, снизится производительность всей технологии.