碳酸钾生产中除氨新工艺实验研究

胡柏松，张帆，赵景利

（1.河北工业大学，天津 300130；2.石家庄信息工程职业学院）

碳酸钾生产中除氨新工艺实验研究

胡柏松1，张帆2，赵景利1

（1.河北工业大学，天津 300130；2.石家庄信息工程职业学院）

摘 要现有碳酸钾生产工艺中采用蒸发除氨，由于除氨不彻底，导致蒸发二次蒸汽中含有大量氨气和二氧化碳，使蒸发器的传热系数大大降低，从而增加了蒸发能耗；另一方面，挥发出的氨气和二氧化碳又难以集中回收，造成资源浪费，且增加原料成本费用。采用解吸法除氨，对料液温度、气液比、喷淋密度、气提时间、初始浓度等因素进行研究。实验结果表明，对于定量的处理料液，料液温度、气液比、喷淋密度、气提时间对碳酸氢铵分解影响较大，初始浓度对其影响较小。最佳工艺参数：料液温度为85℃、气液体积比为30∶1、喷淋密度为55 m3/（m2·h），汽提时间为2.5 h，此时除氨率为95.48％。

关键词：碳酸钾；离子交换；解吸；除氨

离子交换法生产碳酸钾在中国已有三十多年的历史，广大科研学者在离子交换、碳化、废水处理等方面进行了广泛研究［1-4］，但是对于离子交换完成液中存在的少量碳酸氢铵的处理还处在较低水平阶段。目前，碳酸钾厂在蒸发前处理阶段采取的除氨方法为加热蒸发，即在进入蒸发阶段之前，利用加热蒸汽间接加热，碳酸氢铵部分分解，操作温度一般为80～90℃，大部分碳酸氢铵进入蒸发阶段。笔者利用解吸技术、填料塔传质单元，对离子交换完成液进行汽提法除氨，填料塔顶部加入预热到一定温度的离子交换液，塔底通入加热空气，塔底流出液继续进入预热器并与原料液混合，以此循环解吸料液。上升的加热空气与离子交换液在填料塔内部充分接触并进行质量交换和能量交换，从而使料液更快速、充分地分解。填料大大增加了气液接触面积，增加反应推动力，加速分解反应进行，从而提高二氧化碳和氨气在气体中的含量，有利于气体的集中收集和再次利用。

1 实验主要设备

填料塔［5］，塔高为3m，填料高度为2 m，塔直径为150 mm。实验中使用的规整填料参数如表1所示。

表1 实验所用的规整填料参数

2 实验结果分析与讨论

2.1 温度对碳酸氢铵分解率的影响

由于实验条件的限制，料液的温度主要为65、75、85℃，不同料液温度对碳酸氢铵分解率影响如图1所示。由图1可见，料液温度的提高有利于碳酸氢铵的分解。在前1.0 h中，碳酸氢铵分解率呈直线上升趋势，分解速度比较快。在1.0 h之后碳酸氢铵分解速度稍慢，但仍处于上升趋势；到2.0 h之后分解率比较缓慢。温度越高，碳酸氢铵的分解速度越快，这主要是因为碳酸氢铵的分解反应属于吸热反应，温度的升高将促进反应平衡向右移动。同时，生成的氨气溶解度随着温度的升高而降低，有利于氨气的逸出，从而更有效地除氨。通过提高加热料液温度可以提高碳酸氢铵的去除速率，考虑到后序蒸发过程、设备要求及能耗等因素，实验选择适宜的料液温度为85℃。

图1 料液温度对碳酸氢铵分解的影响

2.2 气液比对碳酸氢铵分解率的影响

图2为不同气液比对碳酸氢铵分解率的影响。

图2 气液比在不同喷淋密度时对碳酸氢铵分解率的影响

由图2可见，随着气液比的增大，碳酸氢铵分解率也逐渐增加。从图中曲线的变化趋势可以看出，当气液体积比小于30∶1时，碳酸氢铵的分解率变化比较显著，当气液体积比大于30∶1时，随气液比增加碳酸氢铵的分解率上升比较缓慢。当气液体积比小于30∶1时，喷淋密度一定时，由于气体流量较小，气相在上升过程中，氨气分压很快达到与液相浓度相平衡的状态，碳酸氢铵将不再分解；因此，交换液中碳酸氢铵分解率趋于稳定。从经济性角度分析，气液体积比选择在30∶1时比较合理。

2.3 喷淋密度对碳酸氢铵分解率的影响

喷淋密度的变化影响气液接触面积和接触时间，喷淋密度减小可以增加气液接触面积和接触时间，提高碳酸氢铵的分解率，但同时增加投资费用。料液预热温度为85℃时，在确定的最佳气液体积比（30∶1）条件下，不同除氨时间下碳酸氢铵的分解率随喷淋密度的变化规律如图3所示。由图3可见，当喷淋密度小于55 m3/（m2·h）时，随着喷淋密度的增加碳酸氢铵的分解率不断提高；当喷淋密度大于55 m3/（m2·h）时，随着喷淋密度的增加碳酸氢铵的分解率开始减小。在较小的喷淋密度下或者减小了喷淋密度时，虽然增加料液在塔内的停留时间，一次性通过塔的分解率较高，但对于处理一定量料液的循环系统来说，总的料液处理效率不高。当增加喷淋密度时，高效汽提所需的点滴状态容易被破坏，而形成水幕，气液接触面积减小，阻碍了传质，从而导致离子交换液的总分解率降低。

图3 喷淋密度对碳酸氢铵分解率的影响

2.4 汽提时间对碳酸氢铵分解率的影响（图4）

图4 不同喷淋密度下时间对碳酸氢铵分解率的影响

由图4可见，随着时间延长，碳酸氢铵分解率逐渐增大。在反应时间小于1 h时分解速度较快，呈直线上升趋势；在反应时间为1～2 h时，碳酸氢铵分解速度减慢，并趋于平缓。在喷淋密度为55 m3/（m2·h）时，反应2 h和2.5 h时碳酸氢铵的分解率分别为92.5％和95.6％。结果表明，碳酸氢铵分解率速度随着时间的延长逐渐变慢，如果反应时间足够长，碳酸氢铵可以完全分解。但考虑到碳酸钾生产实际要求，因此选择适宜的汽提时间为2.5 h。

2.5 初始浓度对碳酸氢铵分解率的影响（图5）

图5初始质量浓度对除氨率的影响

由图5可见，在其他条件一定时，原料液初始质量浓度对碳酸氢铵分解率影响不大。

2.6 最佳除氨条件对碳酸氢钾分解的影响

离子交换液中主要成分含有碳酸氢钾、碳酸氢铵、碳酸钾。实验考察的重点是除氨的合理工艺条件，各实验因素对碳酸氢钾的影响仅做简要的分析。图6为填料塔形式一定时，在最佳解吸工艺条件［气液体积比30∶1、预热器预热温度85℃、喷淋密度为55 m3/（m2·h）］下，碳酸氢钾分解率随时间的变化规律。

图6 最佳除氨工艺条件下碳酸氢钾的分解率随时间的变化规律

由图6可见，碳酸氢钾的分解率随时间的增加而逐渐增大，但在前0.5 h时碳酸氢钾的分解速度较慢，原因是NH4+很容易电离成游离态的NH3从溶液中逸出，因此与之相对应的HCO3-也随之电离为CO2进入气相。CO2的增多抑制碳酸氢钾分解。当溶液中只有很少量的碳酸氢铵时，碳酸氢钾的分解速度开始加快，如图中0.5～1.0 h时间段所示；当超过2 h时其分解率曲线开始变得平缓，气提2.5 h时，分解率可达33.81％。由此可见，在碳酸氢铵高效分解的同时，碳酸氢钾的分解率并不是很高。

3 结论

实验结果表明，料液温度、气液比、喷淋密度、汽提时间等4个因素对除氨的影响很大，而原料液初始质量浓度对其影响不大。最佳工艺参数：料液温度为85℃（该温度也在化工厂中实际料液温度范围之内，从而不用其他热源加热）、气液体积比为30∶1、喷淋密度为55 m3/（m2·h）、汽提时间为2.5 h，除氨率为95.48％。在最佳合理工艺条件下，离子交换液中碳酸氢钾的分解率不高，仅为33.81％。与传统加热除氨相比，该工艺去除碳酸氢铵效率高，节约蒸汽消耗，有较好的经济效益。

参考文献：

［1］王洪记，胡东山，路文学.碳酸钾工业的发展现状［J］.化工技术经济，2002（2）:5-8.

［2］廖琳琳，孟了，陈石，等.影响吹脱塔对垃圾渗滤液氨吹脱效率因素研究［J］.工业安全与环保，2005，31（6）:29-31.

［3］张敏革，张宝存，赵景利，等.碳酸钾生产中吹脱除氨新工艺实验研究［J］.无机盐工业，2005，37（12）:39-40.

［4］张鹏，刘春江，唐忠利，等.规整填料塔内气相流动的计算流体力学模拟［J］.天津大学学报:自然科学与工程技术版，2005，38（6）:503-507.

联系方式：hubaisong@163.com

中图分类号：TQ131.13

文献标识码：A

文章编号：1006-4990（2013）08-0021-03

收稿日期：2013-02-15

作者简介：胡柏松（1981—），男，硕士，实验师，主要研究方向为过程强化传热，已公开发表文章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