Mass and energy balance of ammonia recovery plant

Abstract

Subject of this thesis was to evaluate process design for ammonia recovery pilot plant at Norilsk Nickel Harjavalta Oy. The idea of the ammonia recovery plant is to recover ammonia from solution and use it again in the process. The main task of this thesis was to calculate mass and energy balance for the ammonia recovery process. Process behavior and operational conditions were studied by making laboratory experiments. Mass and energy balances were calculated from reaction equations and initial process data received from Norilsk Nickel Harjavalta Oy. Laboratory experiments were car-ried out in two parts: first reactions of process chemicals were studied, then the neutralization reaction was tested. Rotating reactor with grinding bodies was the main part of testing equipment. In all experiments process solution (ammonium sulphate solution) from Norilsk Nickel Harjavalta Oy and calcium oxide were used. Mass and energy balance gave useful information for becoming ammonia recovery pilot plant testing. Quantity of products received from mass balance calculations, and for example the necessity of process cooling water, can be estimated from the results. Information of process chemicals behavior was gained from laboratory experiments and test results were suggestive for example increment of pH and temperature, and gypsum formation. In the experiments with the rotating reactor, ammonium content of solution was measured during the test, which gave information for the extent of reaction.

Tämän opinnäytetyön tavoitteena oli laatia aine- ja energiataseet Norilsk Nickel Harjavalta Oy:lle suunnitteilla olevalle ammoniakin talteenottoprosessille. Ammoniakin talteenottoprosessin tarkoituksena on ottaa talteen prosessiliuoksessa oleva ammoniakki ja käyttää se uudelleen. Lisäksi työssä tehtiin laboratoriokokeita, joiden tarkoituksena oli tutkia prosessissa käytettävien kemikaalien käyttäytymistä sekä prosessin toimivuutta. Aine- ja energiataseet laskettiin reaktioyhtälöiden ja Norilsk Nickel Harjavalta Oy:lta saatujen lähtötietojen perusteella. Laboratoriokokeet tehtiin kahdessa osassa. Ensimmäisissä kokeissa tutkittiin prosessissa käytettävien kemikaalien reaktioita eri olosuhteissa. Jälkimmäisissä kokeissa testattiin prosessia jäljittelevää laitteistoa, jonka pääosana käytettiin pyörivää reaktoria jauhinkappaleineen. Kaikissa kokeissa käytettiin Norilsk Nickel Harjavalta Oy:lta saatua prosessiliuosta (ammoniumsulfaattiliuos) sekä kalsiumoksidia. Aine- ja energiataseet antoivat hyödyllistä tietoa tulevaa prosessin koeajoa varten. Ainetaseen perusteella saatiin prosessituotteiden suuruusluokat selville ja energiataseen avulla pystytään arvioimaan esimerkiksi prosessin jäähdytysveden tarvetta. Laboratoriokokeilla saatiin käsitys siitä, miten prosessikemikaalit käyttäytyvät kyseisissä olosuhteissa ja kokeiden tulokset antoivat suuntaa muun muassa pH:n ja lämpötilan muutoksille prosessissa sekä kipsin muodostumiselle. Kokeissa, joissa käytettiin pyörivää reaktoria, mitattiin liuoksen ammoniakki-pitoisuutta ajan funktiona, joka antoi viitteitä reaktion etenemisnopeudesta.