一种贮存氨水新技术

     作者：张毅 ;

    本文中以氨水挥发的原理为基础，以氨水贮罐不挥发氨气为设计原则提出了改进的氨水贮存工艺。

    1传统工艺评价

    1.1尾气直排工艺

    氨水尾气直排工艺流程示意如图1所示，此工艺具有以下特点。

    适用范围：对氨水用量较小；对氨水浓度要求不高；环境温度较低。

    工艺优点：设备投资少；操作方便。

    工艺缺点：氨水挥发不可控，氨损失大；当环境温度较高时，无法贮存高浓度的氨水；对周围环境及人有污染；氨水泵容易气蚀。

    1.2尾气吸收工艺

    流程示意见图2。

    此工艺是目前采用最为广泛的一种工艺。在直排工艺的基础上增加了1套液封装置和1套单吸阀，在具备直排工艺优点的同时，由于液封罐内通常采用酸性溶液作液封，吸收了氨气，从而大大降低了氨气的排放量。而且可以通过提高液封高度来增加氨水罐内的压力，增加罐内氨气的分压，在一定程度上降低了氨气的挥发量，还降低了氨水泵气蚀的风险。

    但是此工艺并没有完全解决氨气挥发、氨水浓度降低的问题。液封虽然在一定程度上降低了氨气的挥发量，但是液封液与氨水贮罐的气相是连通的，氨水挥发出的氨气会源源不断被液封液吸收，气液平衡被破坏，长时间贮存氨挥发量依然很大，氨水浓度依然会逐渐降低。同时液封液的氨吸收能力也逐步降低，要想保证氨气的低排放量，需要定期更换液封液。当需要大量贮存氨水时，液封液的更换量巨大，废弃液封液的处理对环保设施压力很大。

    2  改进工艺分析

    2.1氨水气液平衡关系计算

    氨一水体系是一个高度非理想的体系，由于氨与水2种分子间存在缔合与离子化的特殊作用，导致氨水中氨的气相分压用理想溶液拉乌尔定律偏差过大，通过数据比较，采用亨利定律计算稀氨水溶液中氨的气相分压偏差可以接受，水的气相分压用理想溶液拉乌尔定律偏差可以接受，综上计算过程如下。

    稀氨水溶液中氨的气液相平衡用亨利定律描述为：

    P= C/Kh

式中，P为被吸收氨在气相的分压，kPa；C为被吸收氨在液相的浓度，mol/kg;K为亨利系数，mol/(kg-kPa)。

    亨利系数随吸收液的温度而变化，不同温度下的K可根据美国国家标准与技术研究院( NIST)公布的数据进行计算，氨的不同温度下的亨利系数计算公式为：

    K(T)=0.27×e2100x(ur-U298"5)

    带入亨利定律得：

    P= C/(0. 27 x e2100xcl/T- U298"5))

    稀氨水溶液中水的气液相平衡用拉乌尔定律描述为：

    P= Pox

    式中，JP。为水的饱和蒸汽压，kPa；P为氨水中水的气相的分压，kPa；x为氨水中水的液相摩尔分数，%。

    根据安托因方程( Antoine)可知：

    Po= 100×lOA-B/(f+c)/760

    式中，A、日、C为安托因系数，水的安托因系数分别为A= 8.107 65、B=1 750. 268、C=235；T为温度，℃。

    带人上式水的安托因方程为：

    Po= 100×i08"0765-'750'268('+235)／760

    带入拉乌尔定律得：

    P=  100xl08"07 65-1750'268('+235)1760×X

    一般市场上出售的氨水规格为25%（摩尔分数，下同），因此通过以上公式计算25 010的氨水在不同温度下的亨利系数及氨和水的气相分压见表1。

    2.2改进工艺的提出

    改进工艺流程如图3。

    改进流程在氨水贮罐原排气管上增加了呼吸阀，通过调节呼吸阀排气的整定压力来控制氨水贮罐的压力。从而降低氨的挥发量。此流程通过呼吸阀阻断了罐内氨气与外界的连通，在一定的温度下，提高呼吸阀排气整定压力即可提高氨水罐的气相压力，最终达到氨水的气液平衡态，从而做到氨气的零挥发。

    2.3呼吸阀整定压力的选择

    根据压力容器的定义，氨水罐工作压力（表压）≥0.1 MPa即被定义为压力容器。压力容器不但设计制造要求严格、费用高，而且使用后的监管措施也很烦琐，因此在氨水罐呼吸阀整定压力的选择上要满足罐的工作压力（表压）<0.1  MPa。由25%氨水的气相分压数据表分析可知，随着温度的升高氨的气相分压逐渐增高，当温度超过40℃时，氨、水分压之和达到0.1  MPa，如果罐内原有空气分压近似按0.1 MPa考虑，即25%氨水在40℃时达到气液平衡时罐内总压近似为0.2 MPa。因此设计时可将呼吸阀的整定压力（表压）设定为0. 095 MPa，排除大量进料的情况，只要氨水的温度小于40℃，氨水可以满足零挥发。

    2.4超压排气的吸收

    改进工艺呼吸阀排气造成氨气挥发有3种情况：①氨水温度过高，气相压力超过了呼吸阀的排气整定压力。②氨水浓度过高，超过了25%，气液平衡时的气相压力超过了呼吸阀的排气整定压力。③氨水罐大量进料，液面上升，气相空间减少气相压力升高，从而超过了呼吸阀的排气整定压力。第①和第②种情况呼吸阀排气是连续不断的，氨气挥发量较大，第③种情况进料停止，排气也就中断，氨气挥发量不大，可以忽略不计。为了减少因高温或高浓度引起的排放，改进工艺也设计1套氨气吸收装置，工艺流程如图4。

    该工艺将液封罐改进为吸收罐，吸收罐罐顶设置了1台氨吸收器。氨吸收器气液接触面积大，吸收效率高，因此可直接用生产水即可满足吸收要求。吸收液饱和后为稀氨水溶液，可以直接输送到氨水合成装置中作为生产25%氨水的原料，实现了整套工艺的零排放。该工艺还在吸收罐进水口设计了液位连锁装置，实现吸收罐液位的自动控制。

    2.5  改进工艺设计要点

    (1)尾气高空排应考虑风向，尽量布置在常年最大频率风向的下风侧。

    (2)排放口要设置阻火器，防止罐内挥发氨气遇火爆炸。

    (3)氨水罐如布置于封闭空间，建议做氨气浓度检测报警装置，并与排风机连锁。

    (4)考虑设计隔热及防晒措施。

    (5)环境温度较低时，考虑呼吸阀、阻火器等管件的防结冰措施。

    3结论

    所提出改进工艺适用于氨水贮存量大，氨水浓度要求高、氨水自产的企业。该工艺克服了传统工艺缺点的同时不但实现了40℃下25 010氨水的贮存，还实现了氨水贮存的“零”排放，不但满足国家对氨水的监管要求，同时也为企业提出了氨水贮存的新思路。该工艺对类似易挥发物质储存具有借鉴意义，如盐酸等类似物质的贮存。

    5摘要：

    基于氨水易挥发特性，且其挥发出的氨气与空气混合后能形成爆炸性气体，容易对环境造成危害，以氨水储罐不易挥发氨气为设计原则提出改进氨水储存的新工艺，实现40℃下摩尔分数25%氨水贮存的同时实现了“零”排放，为企业提出了氨水贮存的新思路，同时该工艺对类似易挥发物质储存也具有借鉴意义。