氨分解装置及其方法与流程

本发明有关一种氨分解装置及其方法，利用氢氧化钠或氢氧化钾作为氧化剂、盐酸作为催化剂，将氨水分解产生氮气及水。

背景技术：

氨是工业上常用的物质，但使用后往往会产生含氨的废水，含氨废水若氨浓度较高可回收再利用，但若含氨废水的氨浓度较低则无回收价值，通常以分解方式处理。

常用的氨分解方式是利用漂白水来分解氨，但此种方式须在特定的酸碱值反应区间才能进行，且酸碱值反应区间狭窄。使用漂白水来分解氨具有不易控制、分解速率慢以及药剂费用偏高的缺点。

技术实现要素：

本发明的一目的，在于提供一种氨分解方法，以亚硝酸钠(或亚硝酸钾)作为氧化剂，盐酸作为催化剂，来分解废氨水中的氨。将氨水、亚硝酸钠(或亚硝酸钾)及盐酸混合成为混合液，并通过至少一壳管式反应器加热，来加速氨水及亚硝酸钠(或亚硝酸钾)的反应速率。通过此方法可有效降低氨水中的含氨浓度，使其符合排放标准。

本发明的另一目的，在于提供一种氨分解装置，主要包括至少一第一壳管式反应器及一第二壳管式反应器。第一壳管式反应器接收一包括氨水、亚硝酸钠(或亚硝酸钾)及盐酸的混合液，并将混合液输送至第二壳管式反应器加热，以产生氮气及废水。第二壳管式反应器将氮气及废水传输至第一壳管式反应器，最后由第一壳管式反应器排出。由于混合液反应会产生热能，因此将废水传输至第一壳管式反应器还具有回收热能的功效，使第一壳管式反应器中的混合液可被废水加热，产生氮气及水，增加氨分解的速率。

本发明的又一目的，在于提供一种氨分解装置，主要包括至少一第一壳管式反应器及一第二壳管式反应器。第一壳管式反应器包括至少一第一导管以及一第一壳体，第一壳体包覆第一导管，第二壳管式反应器包括至少一第二导管以及一第二壳体，第二壳体包覆第二导管。第一壳体接收一包括氨水、亚硝酸钠(或亚硝酸钾)及盐酸的混合液，第二壳管式反应器由第一壳体接收混合液，并将混合液输送至第二导管，使第二壳体加热第二导管内的混合液以产生氮气及废水。第一壳管式反应器由第二导管接收氮气及废水，并将氮气及废水输送至第一导管。由于混合液反应会产生热能，因此将废水传输至第一导管可使第一壳体内的混合液被加热产生氮气及水，增加氨分解的速率。

本发明的又一目的，在于提供一种氨分解装置，主要包括至少一壳管式反应器及一混合槽。壳管式反应器与混合槽连接，并包括至少一导管以及一壳体，而壳体包覆导管。先在混合槽中将氨水、亚硝酸钠(或亚硝酸钾)及盐酸混合成混合液，壳管式反应器的导管由混合槽接收热混合液，并通过壳体加热导管内的混合液，使混合液反应产生氮气及废水。通过此装置，可使排出的废水，其含氨浓度符合排放标准。

为达到上述目的，本发明提供一种氨分解方法，包括以下步骤：将一氨水、一氧化剂及一催化剂混合成一混合液，其中氧化剂为亚硝酸钠或亚硝酸钾，而催化剂为盐酸；及通过至少一壳管式反应器接收并加热混合液，使混合液中的氨水及氧化剂加速反应产生一氮气及一废水。

为达到上述目的，本发明提供一种氨分解装置，包括：一混合槽，用以混合一氨水、一氧化剂及一催化剂，以形成一混合液，其中氧化剂为亚硝酸钠或亚硝酸钾，而催化剂为盐酸；及至少一壳管式反应器，连接混合槽，并包括：至少一导管，由混合槽接收混合液；一壳体，包覆导管，用以加热导管内的混合液，使得混合液产生一氮气及一废水。

本发明还提供另一种氨分解装置，包括：一混合槽，用以混合一氨水、一氧化剂及一催化剂，以形成一混合液，其中氧化剂为亚硝酸钠或亚硝酸钾，而催化剂为盐酸；及至少一壳管式反应器，连接混合槽，并包括：至少一导管，由混合槽接收混合液；一壳体，包覆导管，用以加热导管内的混合液，使得混合液产生一氮气及一废水。

在本发明氨分解方法一实施例中，还包括以下步骤：将混合液导入壳管式反应器的至少一导管内，其中壳管式反应器包括导管及一壳体，且壳体包覆导管；及通过壳体加热导管，使混合液中的氨水及氧化剂加速反应产生氮气及废水。

在本发明氨分解方法一实施例中，还包括以下步骤：加热混合液之前，先过滤混合液以滤除混合液中的一杂质。

在本发明氨分解方法一实施例中，还包括以下步骤：将混合液加热至摄氏30至65℃之间。

在本发明氨分解装置一实施例中，包括多个第一壳管式反应器，这些第一壳管式反应器以串接方式连接。

在本发明氨分解装置一实施例中，还包括一混合槽，连接第一壳体。

在本发明氨分解装置一实施例中，还包括一过滤器，位在混合槽及第一壳体之间。

在本发明氨分解装置一实施例中，还包括一加压马达，位在混合槽及第一壳体之间。

在本发明氨分解装置一实施例中，其中混合槽用以混合一氨水、一氧化剂及一催化剂，以形成一混合液，氧化剂为亚硝酸钠或亚硝酸钾，催化剂为盐酸。

在本发明氨分解装置一实施例中，其中混合液由混合槽依序输送至第一壳体、第二下槽及第二导管，而第二导管中的混合液被第二壳体加热并产生一氮气、一废水，氮气及废水依序由第二导管输送至第二上槽、第一下槽、第一导管及第一上槽，最后由第一上槽排出。

在本发明氨分解装置一实施例中，其中第一壳管式反应器及第二壳管式反应器的材质包括塑胶。

在本发明氨分解装置一实施例中，其中第一导管及第二导管的材质包括石墨及塑胶。

在本发明氨分解装置一实施例中，其中第一下槽、第一上槽、第一导管、第一壳体、第二下槽、第二上槽、第二导管及第二壳体的材质包括聚丙烯。

在本发明氨分解装置一实施例中，其中第二导管的操作温度范围为摄氏30至65℃之间。

在本发明氨分解装置一实施例中，其中壳管式反应器还包括一上槽及一下槽，上槽及下槽通过导管连接，且下槽连接混合槽，下槽由混合槽接收混合液，并将混合液输送至导管，而混合液受热所产生的氮气及废水则经由上槽排出。

在本发明氨分解装置一实施例中，还包括一过滤器，位在壳管式反应器及混合槽之间，过滤器用以过滤混合液中的一杂质，并将过滤后的混合液输送至壳管式反应器。

【附图说明】

图1为本发明氨分解方法一实施例的步骤流程图。

图2为本发明氨分解装置第一实施例的构造示意图。

图3为本发明氨分解装置第二实施例的构造示意图。

图4为本发明氨分解装置第三实施例的构造示意图。

图5A至图5B为本发明氨分解装置第三实施例的传输路径流程示意图。

【主要组件符号说明】：

20 氨分解装置 21 壳管式反应器

211 下槽 212 上槽

213 导管 214 壳体

215 热能输入管 216 热能输出管

23 混合槽 24 加压马达

25 过滤器 30 氨分解装置

310 第一壳管式反应器串 3101 起始端

3102 终端 31 第一壳管式反应器

311 第一下槽 312 第一上槽

313 第一导管 314 第一壳体

32 第二壳管式反应器 321 第二下槽

322 第二上槽 323 第二导管

324 第二壳体 325 热能输入管

326 热能输出管 40 氨分解装置

【具体实施方式】

请参阅图1，为本发明氨分解方法一实施例的步骤流程图。如图所示，本发明所述的氨分解方法可包括步骤S101及S103。步骤S101为将氨水、氧化剂及催化剂混合成混合液，其中氧化剂为亚硝酸钠或亚硝酸钾，而催化剂为盐酸。

将具有亚硝酸根(NO₂^-)的亚硝酸钠或亚硝酸钾作为氧化剂与氨水混合，可产生亚硝酸氨(NH₄NO₂)。亚硝酸氨会分解成氮气与水：

NH₄NO₂→N₂+2H₂O

但在常温及碱性环境中，亚硝酸氨分解的速率较慢，不足以应付大量的工业废氨水。

除此之外，混合液中的亚硝酸根会自我反应产生硝酸根，而硝酸根与氨反应会产生硝酸铵，硝酸氨分解则会产生温室气体笑气(N₂O)，造成二次污染。为此在本发明中，进一步加入盐酸，使亚硝酸与盐酸反应产生氧氯化氮(NOCl)及氯自由基(Cl)：

3HCl+HNO₃→NOCl+2Cl+2H₂O

以抑制硝酸的形成，且氧氯化氮(NOCl)及氯自由基(Cl)均可破坏氨的结构而增加分解速率。

由于氨水、氧化剂或催化剂当中，可能含有其它杂质，为此在本发明一实施例中，可以进一步过滤混合液，以过滤混合液中的杂质，例如氟化钙或其它杂质，再接续进行步骤S103。

步骤S103为通过至少一壳管式反应器接收并加热混合液，使混合液中的氨水及亚硝酸钠(或亚硝酸钾)加速反应产生一氮气及一废水。混合液被加热之后所产生的废水，除了水之外，还会包括残余未反应的混合液，例如混合液中包括氢离子、氯自由基、钠离子、钾离子、残余未反应的氨水或其它物质。如前段所提，在常温及碱性环境中，亚硝酸氨分解的速率较慢。虽然步骤S101已使用盐酸作为催化剂，但为使亚硝酸氨的分解速率可以更加快速，步骤S103通过加热的手段来增加分解速率，并采用壳管式反应器来作为加热的器具。

在本发明一实施例中，壳管式反应器可包括至少一导管及一壳体，其中壳体包覆导管。在加热混合液时，可将混合液导入壳管式反应器的导管内，藉此可通过壳体加热导管及其内部的混合液，加速混合液中的氨水及氧化剂反应，以产生氮气及废水。

由于亚硝酸氨分解产生氮气及水的过程会放热，为此在本发明一实施例中，可以利用壳管式反应器回收亚硝酸氨分解所产生的热能，以加热混合液并提高分解速率。此部分后续会在图5A至图5B，氨分解装置第三实施例的传输路径流程示意图中有具体说明，在此便不作详述。

在本发明一实施例中，可将混合液加热至摄氏30至65℃之间，以达成增加亚硝酸氨分解速率的目的。在本发明一实施例中，所产生的废水的含氨浓度在30ppm以下。

本发明所述的氨分解方法，可以进一步应用在包括至少一壳管式反应器的氨分解装置中。

请参阅图2，为本发明氨分解装置第一实施例的构造示意图。如图所示，本发明所述的氨分解装置20包括一混合槽23及一壳管式反应器21。混合槽23用以混合一氨水、一氧化剂及一催化剂，以形成一混合液，其中氧化剂为亚硝酸钠或亚硝酸钾，而催化剂为盐酸。

壳管式反应器21连接混合槽23，并包括至少一导管213及一壳体214。导管213可由混合槽23接收混合液，而壳体214包覆导管213，用以加热导管213以及导管213内的混合液，以加速混合液产生氮气及废水。

在本发明一实施例中，壳管式反应器21还包括一上槽212及一下槽211，其中上槽212以及下槽211通过导管213连通，且下槽211连接混合槽23，而壳体214则不与上槽212、下槽211及导管213相连通。下槽211可由混合槽23接收混合液，并将混合液输送至导管213，使壳体214可加热导管213及导管213中的混合液，以加速产生氮气及废水。上槽212由导管213接收氮气及废水，并将氮气及废水排出壳管式反应器21。

在本发明一实施例中，壳体214连接一热能输入管215及一热能输出管216，壳体214由热能输入管215接收热能，以加热导管213以及导管213中的混合液，残余的热能则由热能输出管216输出壳体214。例如将热水由热能输入管215输入壳体214，加热导管213中的混合液，并使热水由热能输出管216输出壳体214。

在本发明一实施例中，还包括一加压马达24，位在壳管式反应器21与混合槽23之间，例如加压马达24连接下槽211及混合槽23。加压马达24用以提供混合液动能，使混合液可由壳管式反应器21的下槽211经由导管213输送至上槽212，且最后由上槽212排出壳管式反应器21。

由于混合液是由氨水、盐酸、亚硝酸钠或亚硝酸钾所组成，盐酸、亚硝酸钠或亚硝酸钾可能包括其它物质，而本发明所指称的氨水，是泛指氨经工业利用后所产生的废氨水，因此除了氨之外，也还可能包括其它物质，例如氟化钙或其它杂质。

为此在本发明一实施例中，还包括一过滤器25，位在壳管式反应器21与混合槽23之间，例如过滤器25连接加压马达24及混合槽23，而加压马达24则连接下槽211。过滤器25用以过滤混合液中的杂质，例如氟化钙或其它杂质，使混合液进入壳管式反应器21前，尽可能不包括固体。

传统的反应器材质多为金属，例如不锈钢，但因混合液中包括盐酸为酸性的溶液，容易对金属造成腐蚀。为此在本发明一实施例中，壳管式反应器21的材质包括塑胶，例如下槽211、上槽212、导管213及/或壳体214的材质包括聚丙烯(PP)。

此外，塑胶的传导系数相对较低，若与不锈钢材质作比较，不锈钢的热传导系数约为14kcal/(m.℃.hour)，而塑胶的热传导系数仅约为不锈钢的十分之一，为解决此问题，可在塑胶中掺入石墨以提高热传导系数。在本发明一实施例中，导管213的材质包括石墨及塑胶，例如将石墨粉掺入聚丙烯(PP)所形成的石墨改质塑胶，石墨改质塑胶的热传导系数约为7kcal/(m.℃.hour)。

在本发明一实施例中，氨分解装置20的导管213的操作温度范围为摄氏30至65℃之间。

请参阅图3，为本发明氨分解装置第二实施例的构造示意图。如图所示，本发明所述的氨分解装置30包括一第一壳管式反应器31及一第二壳管式反应器32，且第一壳管式反应器31以及第二壳管式反应器32以串接方式连接。

第一壳管式反应器31包括一第一下槽311、一第一上槽312、至少一第一导管313以及一第一壳体314。第一下槽311及第一上槽312通过第一导管313相连通，第一壳体314则包覆第一导管313，而不与第一下槽311、第一上槽312及第一导管313相连通。

第二壳管式反应器32包括一第二下槽321、一第二上槽322、至少一第二导管323以及一第二壳体324。第二下槽321及第二上槽322通过第二导管323相连通，第二壳体324则包覆第二导管323，而不与第二下槽321、第二上槽322及第二导管323相连通。

第一下槽311连接第二上槽322，第一壳体314连接第二下槽321，而第二壳体324则连接一热能输入管325及一热能输出管326。当氨分解装置30运作时，混合液由第一壳体314输入，而热能则由热能输入管325输入第二壳体324，并且由热能输出管326输出第二壳体324。

在本发明一实施例中，可使用热水提供热能，例如将热水由热能输入管325输入第二壳体324，并且使热水由热能输出管326输出第二壳体324。

在本发明一实施例中，还包括一混合槽23，连接第一壳体314。混合槽用以混和氨水、氧化剂及催化剂，以形成一混合液，而第一壳体314则由混合槽23接收混合液。

在本发明一实施例中，还包括一加压马达24，位在第一壳管式反应器31与混合槽23之间，例如加压马达24连接第一壳体314及混合槽23。加压马达24用以提供混合液动能，使混合液由混合槽23输送至第一壳管式反应器31的第一壳体314，并由第一壳管式反应器31的第一壳体314输送至第二壳管式反应器32的第二下槽321。

此外加压马达24可进一步将第二下槽321的混合液经由第二导管323输送至第二上槽322，其中第二导管323中的混合液被第二壳体324加热，产生氮气、废水及/或残余混合液。而氮气、废水及/或残余混合液接着藉由加压马达24提供的动力，由第二上槽322依序输送至第一下槽311、第一导管313及第一上槽312，并且由第一上槽312排出。

在本发明一实施例中，还包括一过滤器25，位在第一壳管式反应器31与混合槽23之间，例如过滤器25连接加压马达24及混合槽23，而加压马达24则连接第一壳体314。过滤器25接收并过滤混合液中的杂质，例如氟化钙或其它杂质，使混合液进入第一壳管式反应器31前，尽可能不包括固体。

请参阅图4，为本发明氨分解装置第三实施例的构造示意图。如图所示，氨分解装置40包括多个第一壳管式反应器31以及一第二壳管式反应器32。多个第一壳管式反应器31以串接的方式连接，并且形成一第一壳管式反应器串310，其中第一壳管式反应器串310包括一起始端3101以及一终端3102。

连接终端3102的第一壳管式反应器31与第二壳管式反应器32连接，举例来说，连接终端3102的第一壳管式反应器31的第一下槽311与第二壳管式热交换器32的第二上槽322连接，而连接终端3102的第一壳管式反应器31的第一壳体314与第二壳管式反应器32的第二下槽321连接。

为方便后续的说明，本说明书中提到第一壳管式反应器31及其构件时，所述的「前一」是指串接顺序较接近起始端3101的第一壳管式反应器31或其构件，所述的「下一」是指串接顺序较接近终端3102的第一壳管式反应器31或其构件。

当第一壳管式反应器31的数目为三个或三个以上时，会有至少一个第一壳管式反应器31未与起始端3101以及终端3102连接。未与起始端3101以及终端3102连接的第一壳管式反应器31的第一上槽312与前一第一壳管式反应器31的第一下槽311连接。未与起始端3101以及终端3102连接的第一壳管式反应器31的第一壳体314与前一及下一第一壳管式反应器31的第一壳体314连接。

氨分解装置40亦可进一步包括一混合槽23、一加压马达24及/或一过滤器25。本发明氨分解装置40中的第一壳管式反应器31、第二壳管式反应器32、混合槽23、加压马达24及过滤器25，其详细构造及实施方式已在第二实施例中说明，在此便不再赘述。

由于混合液中包括盐酸，为酸性的溶液，容易对金属造成腐蚀，因此不适合使用金属材质的反应器。为此在本发明一实施例中，氨分解装置30/40的第一壳管式反应器31及第二壳管式反应器32的材质包括塑胶，例如第一下槽311、第一上槽312、第一壳体314、第一导管313、第二下槽321、第二上槽322、第二壳体324及/或第二导管323的材质包括聚丙烯(PP)。

然而，塑胶的传导系数相对较低，若与不锈钢材质作比较，不锈钢的热传导系数约为14kcal(m.℃.hour)，塑胶的热传导系数仅约为不锈钢的十分之一，为解决此问题，可在塑胶中掺入石墨以提高热传导系数。在本发明一实施例中，氨分解装置30/40的第一导管313及第二导管324的材质包括石墨及塑胶，例如将石墨粉掺入聚丙烯(PP)所形成的石墨改质塑胶，石墨改质塑胶的热传导系数约为7kcal/(m.℃.hour)。

在本发明一实施例中，氨分解装置30/40的第二导管313的操作温度范围为摄氏30至65℃之间。

请参阅图5A至图5B，为本发明氨分解装置第三实施例的传输路径流程示意图。当氨分解装置40开始运作时，混合液由与起始端3101连接的第一壳管式反应器31的第一壳体314进入氨分解装置40，并经由依序串接的第一壳管式反应器31的第一壳体314传送至第二壳管式反应器32的第二下槽321，如图5A所示。

输送至第二下槽321的混合液，经由第二传输管323输送至第二上槽322。具体来说，由于第二壳体324由热能输入管325接收热能，因此当混合液流经第二导管323时，第二导管323以及第二导管323中的混合液会被第二壳体324加热，使得混合液中的氨水及氧化剂受热，并加速反应产生氮气及废水，而氮气及废水会被输送至第二上槽322。

被输送至第二上槽322的氮气以及废水被传送至连接终端3102的第一壳管式反应器31的第一下槽311，并经由连接第一下槽311的第一导管313传送至所述第一壳管式反应器31的第一上槽312。而后再依序传送至串接的第一壳管式反应器31的第一下槽311、第一导管313及第一上槽312，最后由与起始端3101连接的第一壳管式反应器11的第一上槽312排出氨分解装置40，如图5B所示。

如前所述，混合液包括氨水、氧化剂及催化剂，其中氧化剂为亚硝酸钠或亚硝酸钾，而催化剂为盐酸。亚硝酸钠或亚硝酸钾与氨水混合，可产生亚硝酸氨(NH4NO2)，而亚硝酸氨会分解成氮气与水。因此，混合液受热所产生的废水，包括水以及残余未反应的混和液。

由于亚硝酸氨分解产生氮气及水的过程会放热，因此氮气以及废水在第二壳管式反应器32以及第一壳管式反应器31之间传输时，也会将亚硝酸氨分解所产生的热能一并传输。具体来说，混合液反应产生的热能可促进废水中的残余混合液在传输过程中继续反应，而残余混合液进行反应则会继续产生新的热能。当废水中的残余混合液一边反应一边流经各个第一导管313时，还可通过各个第一导管313，加热在各个第一壳体314中传输的混合液，使部分混合液在被传输至第二壳管式反应器32之前，先行反应产生氮气及水。

在本发明一实施例中，可装设加压马达24，来提供混合液在氨分解装置40中的传输动能，例如使与起始端3101连接的第一壳管式反应器31的第一壳体314与加压马达24连接，以提供混合液动能。

由于壳管式反应器具有细长的导管，可以提供相对高的热交换面积，因此通过壳管式反应器回收亚硝酸氨分解所产生的热能，可以大幅降低氨分解装置所需输入的能量，并增加氨分解的速率。

说明书中所描述的也许、必须及变化等字眼并非本发明的限制。说明书所使用的专业术语主要用以进行特定实施例的描述，并不为本发明的限制。说明书所使用的单数量值(如一个及该个)亦可为多个，除非在说明书的内容有明确的说明。例如说明书所提及的一个装置可包括有两个或两个以上的装置的结合，而说明书所提的一物质则可包括有多种物质的混合。

以上所述者，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用来限定本发明实施的范围，即凡依本发明申请专利范围所述的形状、构造、特征及精神所为的均等变化与修饰，均应包括于本发明的申请专利范围内。