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].