Analisis dan pendekatan penambahbaikan untuk penyumbatan ammonium dalam monolit seramik Pengoksida Termal Regeneratif dalam industri Kimia
1. Pengenalan kepada Monolit Seramik
Monolit seramik memegang kedudukan penting dalam RTO. Dengan kemajuan RTO, jenis dan struktur geometri monolit penyimpanan haba telah menyaksikan perubahan yang ketara. Pada mulanya, para penyelidik menggunakan batu kerikil elips sebagai bahan penyimpanan haba, memandangkan ia boleh menyimpan tenaga haba dengan berkesan dan agak mudah diperoleh. Walau bagaimanapun, batu kerikil mempunyai masalah seperti pengudaraan yang lemah dan kecenderungan untuk memampatkan jurang, yang membawa kepada pengudaraan yang tidak optimum dan mempengaruhi kecekapan. Selain itu, batu kerikil tidak tahan terhadap suhu tinggi dan turun naik suhu, dan mudah pecah, yang boleh memberi kesan buruk terhadap kecekapan peralatan. Seterusnya, cincin pelana seramik menjadi pilihan untuk jenis media penyimpanan haba baharu, menangani masalah batu kerikil. Bahan penyimpanan haba jenis ini memastikan konsistensi jurang, meningkatkan keseragaman bahan, dan meningkatkan kecekapan proses penyimpanan haba dengan ketara. Pada masa ini, sistem RTO moden biasanya menggunakan pengisi monolit seramik sarang lebah dengan kecekapan pemulihan yang tinggi dan rintangan aliran udara yang rendah, termasuk pengisi yang disusun secara tetap dan pengisi zarah tersebar, serta bentuk lain seperti monolit seramik sfera, tiub, plat beralun, dan berbentuk pelana. Seperti yang digambarkan dalam jadual 2-1, monolit seramik sarang lebah biasanya digemari kerana ia mempunyai kitaran pertukaran yang pendek, kehilangan rintangan yang lebih kecil, luas permukaan spesifik yang lebih besar, dan kecekapan pemindahan haba yang lebih tinggi. Selain itu, ia mempunyai pekali pengembangan haba yang lebih kecil, struktur yang lebih padat, dan jangka hayat yang lebih lama.
Jadual 2-1 Perbandingan penjana semula seramik yang biasa digunakan dalam RTO
| Prestasi | Monolit seramik sfera | Monolit seramik sarang lebah |
| Luas permukaan tertentu | Kecil | Besar |
| Ketumpatan | Seramik sarang lebah adalah 1/10 daripada bola seramik | |
| Kapasiti penyimpanan dan pelepasan haba | Rendah | Tinggi |
| Kitaran ulang-alik | 180-300s | 30-60-an |
| Rintangan aliran udara | Besar | Kecil |
| Keseragaman suhu sederhana | Tidak seragam | Seragam |
| Hayat perkhidmatan | Tiada perbezaan | Tiada perbezaan |
| Keperluan bahan | Rendah | Tinggi |
| Kumpulkan habuk | Mudah | Sukar |
"Bahan monolit penyimpanan haba adalah sangat penting. Dalam peralatan RTO, media logam tidak sesuai kerana keadaan kerja suhu tinggi boleh menyebabkan kerosakan pada bahan logam. Monolit seramik muncul sebagai pilihan utama, merangkumi bahan seperti mullit dan kordierit. Monolit seramik mempunyai pelbagai kelebihan, seperti rintangan pengoksidaan, ketahanan suhu tinggi, rintangan kakisan kimia, kekonduksian terma yang kuat, rintangan kejutan haba yang baik, dan kos yang agak rendah, justeru ia digunakan secara meluas."
2. Analisis Isu Sekatan Garam Ammonium dalam Monolit Seramik
Disebabkan oleh penyimpanan dan pembebasan haba berkala dalam RTO, monolit seramik secara berkala tertakluk kepada persekitaran suhu tinggi dan rendah dan cenderung kepada fenomena seperti keruntuhan liang, pecah, dan aglomerasi. Dalam aplikasi praktikal, telah didapati bahawa selain daripada fenomena penyumbatan yang disebabkan oleh monolit seramik itu sendiri, komposisi dan proses rawatan juga boleh menyebabkan penyumbatan monolit seramik. Di bawah, kami akan mengambil projek kejuruteraan sebenar sebagai contoh untuk menganalisis secara terperinci komposisi dan mekanisme pembentukan yang mengakibatkan penyumbatan garam ammonium pada monolit seramik.
Sebuah syarikat farmaseutikal di Wilayah Hubei terutamanya mengeluarkan Vitamin dan ubat-ubatan lain melalui teknologi penapaian. Komponen utama gas ekzos ialah etanol, benzena, toluena, etil asetat, trietilamina, oksazol, HCl, heptasiklin, n-butanal, metana, hidrogen sulfida, ammonia, dan sebagainya. Jumlah kadar aliran ialah 50,000 m³/j. Semasa proses pengeluaran, bengkel penapaian akan menghasilkan sejumlah besar gas ekzos dan air sisa, antaranya air sisa akan menghasilkan bau yang aneh apabila dilepaskan ke stesen rawatan kumbahan untuk rawatan. Proses "semburan + RTO" digunakan untuk merawat kedua-dua bahagian gas ekzos ini dan melepaskannya selepas memenuhi piawaian. Selepas sebulan operasi proses yang stabil, tolok perbezaan tekanan masuk dan keluar RTO menunjukkan perbezaan tekanan lebih besar daripada 4500Pa, jadi peralatan telah ditutup untuk penyelenggaraan. Semasa penyelenggaraan, didapati terdapat penyumbatan yang jelas dalam monolit seramik, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 3.1.
Rajah3.1 Perbandingan monolit seramik sebelum dan selepas disekat oleh garam ammonium
2.2 Analisis Sekatan yang Disebabkan oleh Garam Ammonium
Penyumbatan garam ammonium merupakan salah satu masalah penting yang dihadapi oleh monolit seramik. Punca utama pembentukan garam ammonium adalah kerana gas ekzos merangkumi komposisi yang cenderung menghasilkan garam ammonium selepas pembakaran RTO, dan ia terbentuk di kawasan suhu rendah di bawah monolit seramik. Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 3.2:
Rajah 3.2 Gambarajah Skematik Pembentukan Garam Ammonium dalam Monolit Seramik
Garam ammonium yang menyebabkan penyumbatan sistem penyimpanan haba biasanya termasuk ammonium klorida, ammonium sulfat, ammonium karbonat, ammonium nitrat dan trietilamina hidroklorida.
Secara khususnya, berikut adalah sifat dan kesan garam ammonium yang berbeza:
(1) Ammonium Klorida: Ammonium klorida ialah kristal putih yang mudah larut dalam air tetapi tidak larut dalam etanol dan eter. Penguraian menjadi ammonia dan hidrogen klorida pada suhu tinggi boleh menyebabkan kakisan pada RTO, terutamanya di kawasan suhu rendah RTO.
(2) Trietilamina Hidroklorida: Trietilamina ialah sebatian organik yang membentuk trietilamina hidroklorida dengan HCl. Bahan ini merengsa dan mudah diserap oleh lembapan.
(3) Ammonium Sulfat: Ammonium sulfat ialah garam berasid yang mudah terurai menjadi ammonia dan ammonium bisulfat pada suhu tinggi dan juga higroskopik. Garam ini boleh menyebabkan keadaan berasid dalam peranti RTO dan merosakkan peralatan.
(4) Ammonium Nitrat: Ammonium nitrat terurai menjadi ammonia, nitrogen dioksida dan air pada suhu tinggi, yang boleh menyebabkan komposisi gas yang tidak stabil, dan higroskopisitasnya boleh memburukkan lagi masalah penyumbatan monolit seramik.
(5) Ammonium Karbonat: Ammonium karbonat mudah terurai menjadi ammonia, karbon dioksida dan air pada suhu tinggi dan mempunyai higroskopisitas yang tinggi, yang mempunyai kesan buruk pada peranti RTO.
Berdasarkan jadual parameter gas ekzos dan proses pengeluaran di tapak projek ini di Hubei, serta analisis situasi tapak RTO, sebab utama penyumbatan di bahagian bawah monolit seramik adalah disebabkan oleh bahan garam seperti trietilamina hidroklorida.
3. Langkah Kawalan untuk Penghabluran Garam Ammonium
Garam ammonium mempunyai ciri-ciri penting berikut:
(1) Garam ammonium ialah sebatian kristal dan ionik.
(2) Garam ammonium ialah garam bukan organik yang mudah larut dalam air.
(3) Garam ammonium tidak stabil dan mudah terurai apabila dipanaskan.
(4) Garam ammonium terutamanya dihasilkan di lapisan bawah seramik.
Berdasarkan ciri-ciri dan pengalaman kejuruteraan praktikalnya, langkah-langkah berikut telah diambil:
3.1 Pencegahan Pembentukan Garam Ammonium
A. Pengumpulan dan Tadbir Urus Terkelas
a. Kumpul dan rawat gas ekzos yang mengandungi ammonia secara berasingan dan jangan campurkannya dengan gas ekzos yang mengandungi klorin dan sulfur.
b. Kumpul dan rawat gas ekzos yang mengandungi klorin secara berasingan dan jangan campurkan dengan gas ekzos yang mengandungi ammonia.
c. Kumpul dan rawat gas ekzos yang mengandungi sulfur secara berasingan dan jangan campurkan dengan gas ekzos yang mengandungi ammonia.
B. Ambil Langkah Pra-rawatan untuk Mengurangkan di Punca
a. Bagi gas ekzos yang mengandungi sejumlah kecil ammonia dan sebatian organik seperti klorin, sulfur dan nitrogen, gunakan proses pencucian asid, pencucian alkali dan penyahhidratan untuk membuang komponen yang mengandungi ammonia daripada gas ekzos di bahagian hadapan bagi mengurangkan penghasilan garam ammonium.
b. Bagi gas ekzos yang mengandungi ammonia dan sedikit HCl dan SO2, gunakan proses pencucian + penyahhidratan alkali untuk membuang komponen berasid daripada gas ekzos di bahagian hadapan bagi mengurangkan penghasilan garam ammonium.
3.2 Perlahankan Penjanaan Garam Ammonium
Berdasarkan suhu penguraian, gunakan langkah-langkah seperti prapemanasan, pengesanan haba, peniupan udara panas dan penebat pada saluran paip hadapan untuk meningkatkan suhu dan mengurangkan penjanaan garam ammonium.
3.3 Perlahankan Penyumbatan Garam Ammonium
Gunakan monolit seramik yang tidak mudah tersumbat, seperti seramik sarang lebah dengan saiz liang yang besar dan seramik jenis plat, yang boleh mengurangkan risiko penyumbatan monolit seramik dengan berkesan.
3.4 Reka Bentuk Struktur Khas untuk RTO
A. Reka Bentuk Pembongkaran Pintu Akses Pantas
Pasang pintu akses di sekeliling monolit seramik di bahagian bawah RTO. Apabila garam ammonium muncul, 12 pintu akses boleh dibuka dengan cepat dan kemudian air boleh digunakan untuk membilas seramik bagi melarutkan garam ammonium di dalam seramik. Dan air boleh mengalir keluar dari saluran keluar saliran bawah.
Rajah 4.1 Reka bentuk pembongkaran pantas
B. Struktur Saliran Komprehensif Badan RTO
RTO dilengkapi dengan struktur yang teliti di bahagian bawah. Semasa membilas seramik, air boleh mengalir dengan cepat dari saluran keluar saliran bawah. Setiap ruang regeneratif dilengkapi dengan saluran keluar saliran, dengan sejumlah 12 saluran keluar saliran untuk pelepasan. Ruang keluar juga dilengkapi dengan saluran keluar saliran. Semua air dari saluran keluar saliran disatukan ke saluran paip kumbahan utama untuk pelepasan.
Rajah 4.2 Struktur saliran yang teliti
Rajah 4.3 Reka bentuk saliran
Langkah dan Kesan Transformasi
Berdasarkan keadaan di tapak, terdapat dua pendekatan untuk mengurangkan dan menghapuskan garam trietilamina dalam seramik.
Langkah satu: Menggabungkan wap suhu tinggi campuran ke dalam saluran paip udara penulenan
Menurut ujian dan pengesahan semasa, stim suhu tinggi boleh melarutkan dan menguraikan secara terma bahan trietilamina hidroklorida yang terkumpul dalam seramik bawah dengan berkesan. Apabila stim suhu tinggi dimasukkan ke dalam paip penulenan, frekuensi motor injap putar boleh dikurangkan kepada 30Hz, dan frekuensi kipas penulenan boleh dikurangkan kepada 30 - 35Hz, meningkatkan suhu udara penulenan dan meningkatkan masa kediaman stim di kawasan penulenan. Langkah ini boleh menyingkirkan bahan trietilamina hidroklorida dalam seramik bawah dengan lebih baik. Sistem ini juga boleh diubah suai untuk pembilasan automatik.
Langkah dua: Mencegah penghasilan garam.
Sebelum gas ekzos memasuki RTO, tambahkan sistem pra-rawatan untuk menurunkan kepekatan trietilamina dan memanjangkan masa penyumbatan seramik bawah. Mengikut proses di tapak, terdapat 7 - 12 tindak balas penyuapan setiap hari (dengan mengambil kira purata 10), dan bagi setiap kitaran penyuapan, kira-kira 67kg trietilamina akan hilang. Memandangkan sifat trietilamina yang sedikit larut dalam air, sebahagian besar trietilamina akan tersejat ke dalam gas ekzos. Mengikut frekuensi kipas utama sekitar 20Hz, isipadu gas ekzos adalah kira-kira 20000m³/j, dan kepekatan trietilamina ialah 700mg/m³ - 1000mg/m³.
Ukuran Transformasi:
1. Kumpulkan gas ekzos yang mengandungi trietilamina daripada proses hadapan secara berasingan dan tambahkan sistem pra-rawatan pencucian asid. Trietilamina bersifat alkali lemah, dan selepas disembur dan dibasuh oleh asid sulfurik cair, kepekatan trietilamina berkurangan dengan ketara. Selepas sistem pra-rawatan pencucian asid, gas ekzos memasuki sistem pencucian alkali, pencucian air, dan penyahhidratan sedia ada. Selepas pencucian asid, terdapat bahan trietilamina sulfat dalam larutan akueus, yang boleh memasuki cerek pemulihan trietilamina untuk mengitar semula dan menggunakan semula trietilamina dalam larutan akueus.
2. Kumpulkan gas ekzos yang mengandungi trietilamina dalam proses bahagian hadapan secara berasingan, tukar sistem pra-rawatan sedia ada kepada pencucian asid, pencucian alkali, dan demist (dengan struktur pencucian balik untuk demist). Selepas pencucian asid, terdapat bahan trietilamina sulfat dalam larutan akueus, yang boleh memasuki cerek pemulihan trietilamina untuk mengitar semula dan menggunakan semula trietilamina dalam larutan akueus.
Pengubahsuaian pra-rawatan telah dilaksanakan dan kini digunakan seperti biasa. Dengan mendapatkan data daripada sensor tekanan di tapak, tiada peningkatan ketara dalam kehilangan tekanan sistem sejak sistem pra-rawatan mula beroperasi (kira-kira setahun yang lalu).
4 Ringkasan
Bagi industri kimia, cadangan kami adalah agar unit reka bentuk membangunkan pelan rawatan yang munasabah dengan teliti dan memahami sepenuhnya isipadu, komposisi, kepekatan dan corak pelepasan gas ekzos perusahaan semasa menjalankan reka bentuk pendalaman proses. Terutamanya bagi kes di mana gas ekzos mengandungi pelbagai komponen seperti hidrokarbon terhalogen, ammonia dan amina organik, keutamaan harus diberikan kepada pengelasan, pengumpulan dan rawatan gas ekzos organik dan bukan organik. Jika pemisahan lengkap tidak dapat dicapai, gas ekzos yang memasuki RTO harus ditulenkan secara berperingkat melalui peranti pra-rawatan dan pasca-rawatan mengikut keadaan kerja gas ekzos tertentu untuk mengelakkan masalah seperti penyumbatan garam ammonium, kakisan, pelepasan bahan pencemar sekunder yang berlebihan.
Kejayaan operasi projek ini menawarkan pengalaman dan rujukan berharga untuk reka bentuk sistem RTO bagi perusahaan kimia halus yang lain. Kami percaya bahawa projek ini akan mempunyai pengaruh yang mendalam dalam bidang perlindungan alam sekitar dan rawatan gas ekzos, menyumbang kepada pembangunan perindustrian yang lebih bersih dan lestari.