摘要：采用床高为 600 mm、粒径为 0.60～0.80 mm 的石英砂过滤器，通过添加配料对 NHD 溶剂中固体杂质进行表面改性处理，然后对添加配料后的 NHD 溶剂进行净化处理，研究了配料粒径、添加量及操作压力等因素对过滤效果的影响，确定了对添加配料后的 NHD 溶剂进行过滤的最佳操作条件。实验结果表明：在室温，配料粒径为 20～25 μm、添加量为 m(配料)∶m(固体杂质)＝0.32、操作压力为 0.03 MPa 的条件下，NHD 溶剂经过滤后，固体杂质去除率可达 92.3％，且处理后的 NHD 溶剂的吸收性能未变。
    关键词：NHD 溶剂；配料；石英砂；过滤
        NHD 溶剂是国内 20 世纪 90 年代初开发的一种新型高效物理吸收溶剂，已广泛用于天然气、油田伴生气、炼厂气、燃料气、煤制气、城市煤气、合成气等工艺气体中 H2S、CO2、COS、硫醇等有害成分的脱除，尤其是对 H2S、CO2 具有较高的吸收脱除功能[1]。在氮肥厂，合成氨原料气中含有的 CO、CO2、H2S 等无用或有害杂质，经由气体净化系统的 4 个工序将它们转化或清除：即常压脱硫、中压变换、变换气脱硫、CO2脱除。在上述 CO2脱除工序中，许多中、小型氮肥厂采用 NHD 溶剂吸收 CO2的脱碳工艺。NHD 溶剂在高压、低温下进行吸收CO2 的过程，吸收后，自塔底引出。当系统压力降低、温度升高时，溶剂中溶解的气体在再生塔内解析出来，实现溶剂的再生过程。再生后的溶剂投入系统循环工作。由于 NHD 溶剂长期运转后，通常含有粒径细小的悬浮物杂质，如硫杂质、尘埃、催化剂粉末、腐蚀铁屑及副反应产物等[2]，且受污后，NHD 溶剂的黏度为 4.3 mPa·s[2]，一般仅用常规工艺处理，不能达到使用要求，需增加预处理或强化常规工艺[3]来改善处理效果。为提高过滤质量，本实验通过在受污后 NHD 溶剂中添加配料，对受污 NHD 溶剂中的固体杂质进行表面改性处理，再
将添加配料后的受污 NHD 溶剂进行过滤，从而改进石英砂滤料的过滤性能，减小过滤阻力、提高过滤精度。作者主要研究了影响过滤效果的 3 个因素：配料的粒径、添加量以及操作压力。
      1 实验部分
      1.1 实验材料及仪器
     山西某化肥厂受污 NHD 溶剂，固含量为 14.07g/L；配料(粉末状物质、非金属氧化物、化学性质稳定、孔隙率较大，力学强度高)，4 种粒径；石英砂过滤器(粒径为 0.60～0.80 mm，床层高度为600 mm)[4]；LG10–2.4A 型离心分离机；TG628A 分析天平。
     1.2 实验装置及流程
      如图 1 所示，打开配兑罐进料阀门，定量泵入待滤受污 NHD 溶剂，然后开启搅拌器，按一定比例加入配料，搅拌 15 min。开启阀门 V2，将配兑罐内搅拌混合均匀的受污 NHD 溶剂泵入石英砂过滤器内进行过滤（严格控制操作压力于 0.03 MPa）。为保证过滤效果，将过滤初期的滤液回流入配兑罐中，待滤液变清时进入过滤阶段。打开阀门 V4，接取滤液且在相同时间间隔内取一次样。过滤一个周期后，由于砂层表面的固体杂质沉积层增厚，严重影响过滤的进行，此时应对石英砂床进行清洗。关闭所有阀门，打开阀门 V5、V6 对石英砂过滤器进行气反冲洗；然后再打开阀门 V3、V7、V8 对过滤器进行气液混冲；最后关闭所有阀门，仅打开阀门V3、V7、V8 对过滤器进行单液漂洗[5]。
                  
    1.3 分析测试方法
    分别取各操作条件下，相同时间间隔内所取的样品 15 mL 置于离心管中，将离心机转速调至 10 000 r/min，
    离心分离 20 min 后，将液体倒出后，擦拭管壁上的液珠，用半自动电光分析天平称量固体杂质及离心管的质量。样品的固含量 ω 的计算公式为[6]
                  
    式中：m1为离心管质量，g；m2为离心管＋固体杂质质量，g；ω 为样品的固含量，g/L。
     2 实验结果与讨论
     2.1 配料对过滤效果的影响
     2.1.1 配料的粒径对过滤效果的影响
     影响石英砂改进工艺过滤效果的因素主要有配料的粒径、配料的添加量以及操作压力等，其中配料的粒径对澄清受污 NHD 溶剂的影响较大。首先应选择澄清受污 NHD 溶剂适宜粒径的配料。在操作压力为 0.03 MPa、配料添加量为 m(配料)∶m(固体杂质)＝0.32 的操作条件下，对不同粒径配料的过滤效果进行比较，实验所得结果见表 1。由表 1 可以看出，受污 NHD 溶剂中添加配料后，采用石英砂对其进行过滤，其固体杂质去除率比未添加配料时升高了，并且过滤效果明显得到了提高。添加配料的粒径越小过滤效果越好，粒径为 20～25 μm 的配料，过滤效果最好，在对受污 NHD 溶剂的吸收性能无影响的情况下，对其中固体杂质的去除率最 大，可以达到 92.3%。这主要是因为采用石英砂过滤器进行过滤时，添加在受污 NHD 溶剂中的粒径较小的配料在石英砂滤料层表面及其孔隙内形成的薄膜过滤层的空隙度较小，能将受污 NHD 溶剂中粒径细小的固体杂质截留而去除，从而提高了过滤精度。
                 
    2.1.2 配料添加量对过滤效果的影响
     配料的添加量必须适当，以保证既能得到较高的过滤精度，又能得到适当的过滤速度。图 2 显示了受污NHD溶剂的过滤效果随配料添加量的变化。由图 2 可以看出：使用粒径为 20～25 μm 的配料，在压力为 0.03 MPa 的操作条件下，相同的过滤时间内添加量越高，固体杂质去除率越低，尤其是配料添加量从 m(配料)∶m(固体杂质)＝0.2 开始，固体杂质去除率陡然降低。这主要是由于随着添加量的增大，配料颗粒的架桥作用增大，从而滤料层的空隙度增大，粒径细小的固体杂质不能被滤料层截留，会穿透滤层随滤液流出系统，导致过滤精度降低。由图 2 还可以看出，在相同的过滤时间内，随着添加量的增加过滤速率逐渐变大。这主要是因为：添加量越高，滤料层中配料粒子彼此接触的机会较多，其架桥作用增大，使得滤料层的渗透性增强，从而其过滤速率变大。总之，过滤效果取决于固体杂质去除率和过滤速率的大小，为了达到过滤速率大、固体杂质去除率高的过滤效果，从图 2 中可以看出，配料的最佳添加量为 m(配料)∶m(固体杂质)＝0.32。
               
       2.1.3 配料对过滤周期的影响
      图 3 显示了配料的添加量对固体杂质去除率以及过滤周期的影响。从过滤周期和杂质去除率随配料添加量的变化，可以得出以下结论：配料的添加量越
少，通量衰减的越快，过滤周期越短。因为配料的添加量越少，滤料层的空隙率越小，从而通量衰减较快，过滤周期缩短。随着添加量的增多，过滤速率增大，过率周期延长，但是固体杂质的去除率降低。由图 3可知，配料最佳添加量为 m(配料)∶m(固体杂质)＝0.31，从此也可以看出配料的最佳添加量。
      2.2 操作压力对过滤效果的影响
      压力是石英砂过滤过程中的推动力，必然会影响其过滤速率以及澄清效果。使用粒径为 20～25 μm 的配料，在配料的添加量为 m(配料)∶m(固体杂质)＝0.32 的操作条件下，测定了压力对过滤速率以及澄清效果的影响。图 4 显示了在 4 种操作压力下，过滤速率随过滤时间的变化。从过滤速率的变化可以得出如下两点结论。
                 
       (1) 过滤初期的过滤速率较大，至过滤时间为 10min 左右陡然降低。这主要是因为过滤初期滤料层表面以及间隙还未形成薄膜，过程的阻力较小，因而过滤速率较大。从10 min 至过滤结束（过滤介质表面充满杂质）尚需 50 min 左右，这一阶段过滤速率较低，且变化缓慢。造成速率降低的原因大致有两个，一是滤料层表面及其孔隙内截留的固体杂质增多；另一个是滤料层被压缩，使其空隙度减小，造成阻力增加。
     (2) 从 4 种操作压力下过滤速率的对比情况来看，压力对过滤初期的过滤速率影响比较大；对过滤后期的影响较小。这主要是因为在过滤的初期，滤料层表面及其间隙薄膜尚未形成，造成的阻力较小，此时，如果提高压力，过滤速率会上升很快。但是在相同过滤时间内，不同操作压力对受污 NHD溶剂的固体杂质去除率的影响较大，实验所得结果见表 2。固体杂质去除率随着压力的升高而下降，这是因为随着过滤压力的不断增大，过滤的阻力不变，从而 ?P 变大。压力过大，使粒径细小的固体杂质穿透滤料层，导致固体杂质去除率下降。因此，并非压力越大效果越好， 压力是有限度的。总之，过滤效果取决于固体杂质去除率和过滤速率的大小，为了达到过滤速率大、固体杂质去除率高的过滤效果，实验选择 0.03 MPa 为最佳操作压力。
                  
      两年来，通过对山西某化肥厂处理后的 NHD溶剂的吸收性能进行跟踪测试及稳定性试验，原NHD 溶剂的处理气量为 100 000 m3/h，受污 NHD溶剂的处理气量下降为 60 000 m3/h。采用这种方法对受污 NHD 溶剂进行处理后，其处理气量增大了，处理气量为 90 000 m3/h，即受污 NHD 溶剂的吸收性能恢复了 90％，与原 NHD 溶剂的吸收性能相当。
     3 结 论
    （1）在受污 NHD 溶剂中添加配料，对受污 NHD溶剂中的固体杂质进行表面改性处理，再采用石英砂过滤器对添加配料后的受污 NHD 溶剂进行过滤，通过对其进行实验研究，实验结果表明采用此方法对受污 NHD 溶剂进行处理是可行的，处理后 NHD 溶剂的吸收性能未变。
    （2）在过滤初期设置全回流阶段，让浑浊的滤液再返回料槽，待滤料层表面形成薄膜后，滤液变 清时进入过滤阶段。
     （3）采用配料对受污 NHD 溶剂中的固体杂质进行改性处理，对其过滤受污 NHD 溶剂的工艺进行了研究，确定了最佳操作条件为：配料的粒径为20～25 μm，操作压力为 0.03 MPa，添加量 m(配料)∶m(固体杂质)=0.32。固体杂质去除率可达92.3%。
     （4）石英砂的力学强度高，截污能力强，化学性能稳定，但不能处理溶剂中粒径细小的固体颗粒并且处理量小。采用添加配料后过滤的处理方法，既可以解决石英砂过滤处理量小的问题，也可以解决石英砂过滤器处理效果差的问题。
                  参 考 文 献
    [1] 林民鸿，樊玲.NHD 净化工艺应用领域[J].化肥设计，2002(40)：40–42.
    [2] 张新民，孙斌，宋志胜.刚性高分子微孔过滤在脱碳液过滤改造中的应用[J].化工设计通讯，2005(31)：25–28.
     [3] 孙岩，周广敏，孙西英.NHD 脱硫溶剂的污染问题及处理措施[J].化肥设计，2005，43(5)：55–57.
    [4] 高璟，刘有智，王苏，等.陶瓷膜澄清食醋前的预处理工艺[J].化工进展，2004，23(9)：1046–1049.
    [5] 李惠清.直接过滤气水反冲洗参数的确定[J].内蒙古科技与经济，2001(5)：117–118.
    [6] 申红艳，刘有智，谷磊，等. NHD 脱碳液石英砂过滤工艺研究[J].化工进展，2006，25(11)：1336–1339.

刘有智，申红艳，谷 磊，樊光友，崔磊军（中北大学化学工程技术研究中心，山西 太原 030051）