酸溶液吸收處理氨氣裝置設(shè)計(jì)研究

宋曉光 呂紹澤 李健 韓志剛

【摘要】本文公開了一種用酸溶液吸收處理氨氣的裝置。該裝置主要構(gòu)件部分是泵體、箱體和回收箱，其中泵體是用于將酸溶液抽入到箱體;箱體用于酸溶液與氨氣發(fā)生中和反應(yīng);回收箱用于處理反應(yīng)后的廢棄物。本裝置結(jié)構(gòu)簡單，易于制造，對(duì)氨氣的吸收效果好，有效提高了現(xiàn)有氨氣處理技術(shù)的實(shí)用性。

【關(guān)鍵詞】氨氣;酸溶液;吸收

【DOI 編碼】10.3969/j.issn. 1674-4977.2022.02.027

The Acid Solution Absorb and Treat Ammonia Device

SONG Xiao-guang，Lu Shao-ze;LI Jian;HAN Zhi-gang

（Fushun Institute of Technological Innovation，F(xiàn)ushun 113008，China）

Abstract：This paper discloses a device for absorbing and treating ammonia with acid solution. The main components of the device are pump body，box body and recovery box，in which the pump body is used to pump acid solution into the box body. The box is used for neutralization reaction between acid solution and ammonia. The recycling box is used to treat the waste after reaction. The device has the advantages of simple structure，easy manufacture，good absorption effect of ammonia，and effectively improves the practicability ofthe prior art.

Key words：ammonia gas;acid solution;absorb

1概述

氨氣，常溫下為氣體，無色有刺激性惡臭氣味。在許多化工產(chǎn)品生產(chǎn)過程中都會(huì)排放大量氨氣，不但會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，還會(huì)對(duì)人的身體健康產(chǎn)生危害，因此，做好氨氣吸收處理十分重要。目前氨氣吸收處理一般采用水噴淋法、吸附法、化學(xué)法、酸吸收法等。利用水噴淋對(duì)氨氣進(jìn)行吸收處理的效果有限，一般氨水的濃度只能達(dá)到15%～20%，處理少量氨氣還好，若要吸收處理大量氨氣就要耗費(fèi)大量的水資源。吸附法是將氨分子濃縮于活性炭等固體吸附劑上，以此達(dá)到分離的目的。其設(shè)備簡單，操作容易，有較好的處理效果，但所采用的活性炭需要定期更換，吸附容量有限?；瘜W(xué)法是利用化學(xué)物質(zhì)與氨氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而使氨氣被去除，該技術(shù)較成熟，運(yùn)行穩(wěn)定，但工藝需用水洗氨氣，還需要分解裝置，其投入和生產(chǎn)費(fèi)用巨大。酸吸收法利用酸溶液對(duì)氨氣進(jìn)行吸收處理的效果較好，因?yàn)樗崛芤何瞻睔夂笊闪嘶瘜W(xué)性質(zhì)比較穩(wěn)定且溶解度比較大的復(fù)合物質(zhì)，如硫酸銨。但是目前一般使用噴淋塔對(duì)氨氣進(jìn)行吸收處理成本過高。

2背景技術(shù)

目前，酸溶液吸收法去除氨氣，并配制合成肥料等復(fù)合物質(zhì)能夠減少氨氣對(duì)大氣的二次污染，但現(xiàn)有技術(shù)中存在酸溶液與氨氣反應(yīng)不完全的情況，且多數(shù)裝置忽視對(duì)氨氣吸收效率及酸溶液補(bǔ)充更換節(jié)點(diǎn)的控制?，F(xiàn)有一種氨氣吸收處理裝置（專利授權(quán)公告號(hào)CN 213725740 U）可以解決上述問題，該裝置特點(diǎn)為：氨氣在箱體內(nèi)可以完全反應(yīng)，保證排放氣體達(dá)標(biāo);酸溶液從進(jìn)入箱體開始，到氨氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)然后排放至回收箱，整個(gè)過程中進(jìn)行酸堿度檢測，保證氨氣吸收率。整個(gè)處理流程沒有其他廢物產(chǎn)生，實(shí)現(xiàn)了氨氣零排放。

3酸溶液吸收液處理氨氣裝置技術(shù)方案

3.1氨氣吸收處理裝置構(gòu)造

本裝置泵體的抽管與裝有酸溶液的容器連通，另一端與箱體頂端連通;酸溶液與氨氣進(jìn)行混合的箱體，箱體內(nèi)部的頂側(cè)中端固定安裝有隔板，酸堿度傳感器固定安裝在隔板左右兩側(cè)的底端;箱體正面的左上側(cè)安裝有顯示屏（內(nèi)置單片機(jī)），酸堿度傳感器的數(shù)據(jù)輸出端與單片機(jī)的數(shù)據(jù)輸入端連接，單片機(jī)的信號(hào)輸出端與顯示屏的信號(hào)輸入端連接。箱體外部的頂側(cè)中端固定安裝有轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)，轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)的電機(jī)軸活動(dòng)貫穿箱體的頂側(cè)至隔板的底側(cè)，且軸頭的兩側(cè)均固定安裝有攪拌扇葉;箱體底端的左側(cè)連通安裝有電磁閥的排液管，排液管伸人到箱體支撐架下的回收箱;回收箱頂部的左側(cè)貫穿連接安裝有限位框的圍板，圍板內(nèi)部的底端固定安裝有濾網(wǎng)，起到過濾作用。處理裝置的主要構(gòu)造見圖1。

3.2技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素

該裝置將氨氣輸送至裝有酸溶液箱體內(nèi)，使用箱體內(nèi)扇葉旋轉(zhuǎn)攪拌加快氨氣與酸溶液反應(yīng)速度，讓其發(fā)生中和反應(yīng);使用酸堿度傳感器監(jiān)測溶液的pH值，按照設(shè)定的pH控制點(diǎn)控制電磁閥門開與關(guān)，適時(shí)進(jìn)行酸溶液的排放與更換。因此，該裝置能完全吸收氨氣并合成需要的復(fù)合物質(zhì)，工藝流程簡單易操作，采用監(jiān)控設(shè)備和防腐技術(shù)，保證裝置的使用壽命和減少裝置泄露對(duì)環(huán)境造成污染。

3.3氨氣吸收處理工藝流程

本系統(tǒng)的氨氣吸收原理是利用酸堿中和反應(yīng)。使用時(shí)，泵體將酸溶液從存儲(chǔ)罐中抽入到箱體，再將氨氣通過進(jìn)氣管輸送到箱體，啟動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)，讓扇葉轉(zhuǎn)動(dòng)攪拌以促進(jìn)酸溶液的運(yùn)動(dòng)，使酸溶液與氨氣充分反應(yīng)，從而提高酸溶液對(duì)氨氣的吸收效果。操作中需適當(dāng)增加酸溶液濃度，因根據(jù)酸與氨的化學(xué)反應(yīng)式，提高酸濃度有利于分解反應(yīng)的進(jìn)行。利用酸堿度傳感器對(duì)箱體內(nèi)的溶液進(jìn)行酸堿濃度指數(shù)監(jiān)測，時(shí)時(shí)記錄pH 值?？紤]到裝置對(duì)氨氣的吸收處理能力以及操作方便，要通過試驗(yàn)方式測定吸收pH值的控制點(diǎn)。當(dāng)吸收液中酸離子含量降低到一定程度使pH值接近控制點(diǎn)時(shí)，需切斷輸送氨氣人口閥門，終止進(jìn)氨氣。但旋轉(zhuǎn)電機(jī)不停止，扇葉繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)攪拌，讓氨氣完全發(fā)生中和反應(yīng)。操作完成后，即可打開箱體底部電磁閥，將箱體內(nèi)的混合溶液經(jīng)過濾網(wǎng)排放到回收箱中，接著利用泵體補(bǔ)充箱體內(nèi)的酸溶液，繼續(xù)進(jìn)行氨氣的吸收處理即可。整個(gè)處理工藝流程見圖2。

3.4試驗(yàn)確定pH控制點(diǎn)

試驗(yàn)儀器和檢測儀器包括試管、玻璃容器、酒精燈、鐵架臺(tái)（帶鐵夾）、電子天平、pH計(jì)和氨氣檢測儀。氨氣來源是采取實(shí)驗(yàn)室加熱固體氯化銨與熟石灰的混合物，向下排空氣法收集。驗(yàn)滿方法是用濕潤的紅色石蕊試紙置于試管口，試紙變藍(lán)色，或?qū)⒄河袧恹}酸的玻璃棒置于試管口有白煙產(chǎn)生。凈化裝置用堿石灰干燥。注意的是要在管口塞一團(tuán)棉花球，減少NH₃與空氣的對(duì)流速度，確保收集到純凈的NH₃。加熱固體銨鹽和堿的混合物反應(yīng)方程式為：

2NH₄Cl+Ca（OH）₂=CaCl₂+2NH₃↑+2H₂O

將一定濃度的硫酸溶液置于玻璃容器內(nèi)，在攪拌狀態(tài)下從玻璃容器底部通入氨氣，在加入氨氣的同時(shí)用pH計(jì)對(duì)溶液進(jìn)行pH值測定。將氨氣檢測器置于玻璃容器口，對(duì)混合溶液的氨氣進(jìn)行檢測。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，確定硫酸與氨氣的飽和吸收容量和pH值控制點(diǎn)。硫酸作為吸收原料對(duì)氨氣進(jìn)行中和反應(yīng)，吸收氨氣效果高。硫酸和氨氣反應(yīng)方程式為：

2NH₃+H₂SO₄=（NH₄）₂SO₄

根據(jù)試驗(yàn)表明，酸性溶液可用于該裝置，其他操作條件不變。

4酸溶液的選擇

根據(jù)吸收理論，溶質(zhì)吸收率越高，對(duì)返混量越敏感，返混所造成的危害越大。系統(tǒng)相平衡常數(shù)越大，返混引起的不良后果越嚴(yán)重;相反，當(dāng)系統(tǒng)相平衡常數(shù)很小時(shí)，返混所產(chǎn)生的不良影響可以忽略。對(duì)于本工藝溶質(zhì)氨吸收率要求在95%以上，吸收率較高，不適宜采用再循環(huán)吸收。同時(shí)由于氨的相平衡常數(shù)較大，采用再循環(huán)吸收不利于氨氣的吸收，所以確定采用純吸收劑吸收氨，以保證好的吸收效果。

盡量不要采用鹽酸作為酸溶液，因?yàn)辂}酸腐蝕性太大，而且生成的鹽也不穩(wěn)定，且混合后產(chǎn)生的氯化銨廢液的處理是一個(gè)棘手的問題，處理不慎可能會(huì)導(dǎo)致氯化銨分解而帶來二次污染。磷酸是一個(gè)比較不錯(cuò)的選擇，混合后產(chǎn)生的磷酸銨廢液穩(wěn)定，而且也可以用來生產(chǎn)磷酸銨復(fù)合肥料，其后續(xù)處理不是大問題。選用硫酸吸收氨氣也是一個(gè)很好的選擇，混合后生成的硫酸銨是一種重要的肥料，在去除氨氣的同時(shí)副產(chǎn)品可以重新投入使用。

5裝置的特點(diǎn)

該設(shè)備工藝設(shè)計(jì)獨(dú)特，根據(jù)工況合理輸送酸溶液裝填量，使酸溶液與氨氣接觸充分，處理徹底。防爆設(shè)計(jì)和安全節(jié)點(diǎn)監(jiān)控，可以確保設(shè)備安全，滿足化工生產(chǎn)場所的苛刻要求。采用電磁閥、酸堿度傳感器、氣動(dòng)元件執(zhí)行動(dòng)作，系統(tǒng)自動(dòng)化程度高，性能可靠。設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小，操作方便，便于維護(hù)，配套工程投資少，最大的特點(diǎn)是節(jié)能環(huán)保，氨氣吸收效率高，便于合成物質(zhì)回收利用。

6裝置的優(yōu)化改造

結(jié)合該裝置使用情況和投入經(jīng)濟(jì)分析，改進(jìn)該裝置所采用的技術(shù)既要先進(jìn)也要可靠，要能夠保證氨氣進(jìn)入箱體時(shí)穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)對(duì)酸溶液與氨氣反應(yīng)吸收效率的有效控制，確保裝置安全穩(wěn)定運(yùn)行。因此，改進(jìn)的主要目標(biāo)：一是在氨氣存儲(chǔ)和本系統(tǒng)連接處設(shè)置一臺(tái)緩存罐。緩沖罐的作用是穩(wěn)定氨氣的供應(yīng)，還可在泵出口處增設(shè)閥門，這樣可以在前端管路調(diào)節(jié)流量，預(yù)防在小流量時(shí)喘振的發(fā)生。二是在現(xiàn)有工藝基礎(chǔ)上集成PLC控制，根據(jù)酸堿傳感器對(duì)pH值實(shí)時(shí)獲取數(shù)據(jù)，監(jiān)控酸溶液與氨氣反應(yīng)的效率，并設(shè)計(jì)有運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化程序，實(shí)現(xiàn)加酸溶液、開閉氨氣源、增排混合溶液的檢測與控制，提高自動(dòng)化程度，降低裝置消耗。三是為防止混合后的氨水揮發(fā)，還可以在回收箱末端接入一個(gè)酸洗塔，吸收揮發(fā)的氨氣，從而達(dá)到環(huán)保要求。

【參考文獻(xiàn)】

[1]秦福和.氨氣吸收液[J].數(shù)字與縮微影像，2003（4）：31.

[2]薛俊紅.淺談環(huán)境空氣中氨的來源及污染現(xiàn)狀[J].山西科技，2017，32（1）：139-141.

[3]王柱祥，商恩霞，郭秀玲，等.化肥企業(yè)氨回收裝置系統(tǒng)分析和解決方案[J].小氮肥，2006（5）：5-7.

[4]《空氣和廢氣監(jiān)測分析方法》編委會(huì).空氣和廢氣監(jiān)測分析方法[M].北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2003.

[5]張均村.淺析利用自動(dòng)噴水系統(tǒng)控制氨氣泄漏事故的設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J].瀘天化科技，2013（2）：119-121.

[6]王益帆，郭海林，周帥鵬，等.噴霧粒度對(duì)氨氣泄漏應(yīng)急噴淋吸收效率的實(shí)驗(yàn)研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2018，18（33）：230-236.

[7]王建偉.PLC技術(shù)在機(jī)電工程自動(dòng)化中的運(yùn)用分析[J].設(shè)備管理與維修，2019（19）：132-133.

[8]閆金鑫，白龍，付東輝，等.基于PLC和物聯(lián)網(wǎng)的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)溫室監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2021（20）：54-55.