氣相旋流-液相射流凈化器用于脫除HCl

毛衛(wèi)崗 馬 良

（1.天華化工機(jī)械及自動(dòng)化研究設(shè)計(jì)院有限公司；2.華東理工大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院）

HCl氣體對(duì)環(huán)境有相當(dāng)?shù)奈：π?，?duì)于人體的眼部、呼吸道等部位有強(qiáng)烈的刺激性，可引起的相關(guān)癥狀包括結(jié)膜炎、角膜壞死及支氣管炎等。目前HCl的排放要求為小于0.2 mg/m3，因此不管在工業(yè)或是民用企業(yè)內(nèi)， 都必須對(duì)含HCl的尾氣進(jìn)行處理。 工業(yè)上處理含HCl的尾氣通常采用2～3座酸洗噴淋塔與1～2座堿洗噴淋塔串聯(lián)的方式進(jìn)行吸收。但這種處理方式因單個(gè)噴淋塔的吸收效率較低而導(dǎo)致總成本極高， 且占地面積相當(dāng)大。 個(gè)別情況下，有廠家加入了冷卻系統(tǒng)，通過降低溫度的方式優(yōu)化吸收效果，但收效甚微，依舊需要至少3座噴淋吸收塔才能達(dá)到排放要求。 Ochowiak M等對(duì)噴淋塔界面進(jìn)行了改性， 雖然能在一定程度上提高噴淋塔的效率， 但沒有解決噴淋塔占地面積過大導(dǎo)致的成本高的問題［1］。 在Lokhandwala K A等提出了膜法除氯的工藝［2］、Lindbr?then A等討論了膜法除氯的可行性［3］后，San Roman M F等使用了膜法回收廢液中的HCl［4］。 目前膜法主要用于液相內(nèi)的HCl處理，而非廢氣中。Zhu X等提出了用鈦渣制備高純二氧化鈦，以避免HCl的排放，但此工藝距離工業(yè)化還很遙遠(yuǎn)［5］。 Kurella S等使用Multistage Dual-Flow Sieve Plate Wet Scrubber處理HCl氣體，其吸收率達(dá)到了93.8%［6］；Bal M等使用Self-priming Venturi Scrubber處理HCl氣體， 吸收率達(dá)到了92.54%［7］，這兩種方法雖然吸收效果一般，但運(yùn)行成本較低。

氣相旋流-液相射流凈化器，通過獨(dú)特的破碎霧化效果［8～10］，在對(duì)廢氣的吸收脫除方面表現(xiàn)出極佳的效果， 同時(shí)其運(yùn)行成本較傳統(tǒng)的吸收塔來說有極大幅度的降低， 占地面積也大幅減小［11～13］。 同時(shí)還具有結(jié)構(gòu)簡單、無內(nèi)部部件、廢水適應(yīng)面廣、 可自清潔及不怕堵塞和結(jié)垢等優(yōu)點(diǎn)。 為此，筆者以Ca（OH）2、Na2CO3、NaOH溶液和水為吸收劑對(duì)脫除HCl氣體進(jìn)行研究，主要包含HCl氣體的處理量、吸收劑循環(huán)流量和氣體中HCl的濃度對(duì)HCl氣體吸收率的影響。 同時(shí)探討脫除HCl過程的傳質(zhì)機(jī)理，對(duì)氣相旋流-液相射流凈化器脫除HCl氣體的效果和可行性進(jìn)行研究，拓展該裝置于此領(lǐng)域的應(yīng)用。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

整套實(shí)驗(yàn)設(shè)備由氣相旋流-液相射流凈化器、水箱、循環(huán)泵、風(fēng)機(jī)、氣液分離器與為進(jìn)行實(shí)驗(yàn)所配套的液體、 氣體流量計(jì)及壓強(qiáng)計(jì)等構(gòu)成（圖1）。

圖1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備示意圖

氣相旋流-液相射流凈化器的結(jié)構(gòu)如圖2所示。筒體內(nèi)徑為16 mm，總體高度為77 mm，筒體的上半部設(shè)置小孔，用于水力噴射。 設(shè)有孔的區(qū)域總長度為15 mm，孔徑為0.8 mm，每兩個(gè)孔的軸向間距為3 mm。 吸收器側(cè)壁均勻分布8列孔，每列6個(gè)孔，總計(jì)48個(gè)孔。 筒體設(shè)有孔的區(qū)域外部夾套為液體分布區(qū)，主要用途是液體射流，確保將液體均勻地噴入氣瓶， 并具有足夠的壓力使之霧化。 氣體入口為長方形管，長9 mm，寬6 mm。 裝置的中間排氣管內(nèi)徑5 mm，排氣管的氣體入口處于液體射流區(qū)下部。 分離器底部為圓錐形連接圓管，總長12 mm，出口管內(nèi)徑6 mm。 裝置整體壁厚1 mm，材料為有機(jī)玻璃，以便于觀察實(shí)驗(yàn)過程中的氣液耦合過程和反應(yīng)劇烈程度。

圖2 氣相旋流-液相射流凈化器

1.2 實(shí)驗(yàn)原理

傳統(tǒng)的濕法吸收HCl氣體的方法通常是直接將含HCl的氣體通入吸收劑中， 但這嚴(yán)重制約了吸收劑作用的發(fā)揮。 而氣相旋流-液相射流凈化器能夠?qū)⑹孪葴?zhǔn)備好的針對(duì)待處理氣體的吸收劑以噴射的形式（在設(shè)備中表現(xiàn)為細(xì)小液柱狀或霧狀） 與運(yùn)動(dòng)軌跡為旋流狀的含HCl的氣體相接觸。 柱狀或霧狀的吸收劑液滴表層被以極高速度沿旋流運(yùn)動(dòng)的待吸收氣體施以剪切方向的力，導(dǎo)致吸收劑液滴破碎重組，使吸收劑表層吸收能力始終最佳，達(dá)到最佳的吸收結(jié)果。

由于HCl氣體易溶于水，其水溶液呈酸性，因此使用堿性溶液有利于脫除HCl氣體。

當(dāng)吸收劑使用強(qiáng)堿性的Ca（OH）2溶液時(shí)，將發(fā)生中和反應(yīng)：Ca（OH）2＋2HCl→CaCl2＋H2O，反應(yīng)得到的氯化鈣易溶于水，為中性溶液。

當(dāng)吸收劑使用弱堿性的Na2CO3溶液時(shí)，將發(fā)生復(fù)分解反 應(yīng)：Na2CO3＋2HCl→2NaCl＋H2CO3，H2CO3→H2O＋CO2↑，反應(yīng)結(jié)果與吸收劑使用Ca（OH）2溶液時(shí)的相似，但反應(yīng)時(shí)會(huì)有氣泡（二氧化碳?xì)怏w）產(chǎn)生。

當(dāng)吸收劑使用強(qiáng)堿性的NaOH溶液時(shí)， 將發(fā)生中和反應(yīng)：NaOH＋HCl→NaCl＋H2O，反應(yīng)得到的氯化鈉易溶于水，為中性溶液。

當(dāng)溫度為20 ℃、標(biāo)準(zhǔn)壓強(qiáng)下，每100 g水中約可溶解72 g的HCl，因此也可使用水作為HCl氣體吸收劑。

1.3 HCl脫除實(shí)驗(yàn)流程

本次實(shí)驗(yàn)使用純度為99.9%的HCl氣體，通過控制HCl和空氣的進(jìn)氣量并混合， 得到不同濃度的HCl氣體。 使用濃度為1.5%的Ca（OH）2溶液、1.5%的Na2CO3溶液、1.5%的NaOH溶液和水作為吸收劑進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，事先加入調(diào)配完成的吸收劑，并打開循環(huán)，使吸收劑的進(jìn)入速率達(dá)到較大值，充滿實(shí)驗(yàn)設(shè)備，并對(duì)液體出口進(jìn)行液封，防止氣體從排液口噴出。 啟動(dòng)裝置，分別從存有99.9%濃度的HCl氣瓶與大氣中抽取氣體，根據(jù)流量計(jì)確定HCl濃度。等待約2 min，當(dāng)混合氣體趨穩(wěn)后，適當(dāng)降低吸收劑的進(jìn)入速率， 使其流量達(dá)到實(shí)驗(yàn)預(yù)定值。繼續(xù)等待約3 min，吸收劑的噴射液柱重新達(dá)到穩(wěn)定。吸收劑被循環(huán)使用，通過檢測(cè)其pH值，確保吸收劑濃度處于預(yù)定值附近。 每隔10 min測(cè)量一次HCl的吸收率和各個(gè)參數(shù)值，每組數(shù)據(jù)重復(fù)測(cè)量3次，取平均值作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果，若有某個(gè)參數(shù)值偏差過大，則重新測(cè)量。 每次實(shí)驗(yàn)變量的改變作為一個(gè)周期，每個(gè)周期均重復(fù)上述操作。 出口處的氣體中含HCl的濃度由氯化氫檢測(cè)儀檢測(cè)， 測(cè)量范圍為0～100ppm（1ppm=0.001‰）時(shí)，誤差為±2ppm，測(cè)量范圍為0～1 000ppm時(shí)，誤差為±20ppm。氯化氫吸收率η定義為：

式中 cin——進(jìn)口處HCl濃度；

cout——出口處HCl濃度。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 吸收劑流量對(duì)吸收率的影響

圖3顯示了當(dāng)室溫為25 ℃，HCl濃度為1.0%，氣體流量為25.0 L/min時(shí)，不同吸收劑流量對(duì)吸收率的影響。 當(dāng)吸收劑流量為30 L/h時(shí)，吸收率介于98.0%～99.9%之間， 當(dāng)吸收劑流量為60 L/h時(shí)，吸收率介于99.4%～99.9%之間，當(dāng)吸收劑流量為90 L/h時(shí)，吸收率介于99.5%～99.9%之間。

圖3 不同吸收劑流量對(duì)吸收率的影響

從圖3可以看出，無論使用何種吸收劑，吸收劑流量越大，吸收效果越好。 原因是吸收劑流量越大， 氣相旋流-液相射流凈化器內(nèi)液相噴射的速率越大， 液滴的破碎重組現(xiàn)象變得更為劇烈，氣、液兩相能更好地互相耦合，增強(qiáng)了反應(yīng)速率，同時(shí)也增加了吸收液與待處理氣體的接觸面積，提升了有效傳質(zhì)面積，達(dá)到了更好的吸收效果。

2.2 氣體流量對(duì)吸收率的影響

圖4顯示了當(dāng)室溫為25 ℃，吸收劑流量為40 L/h，HCl濃度保持1.0%時(shí)， 不同氣體流量對(duì)吸收率的影響。 當(dāng)氣體流量為15.0 L/min時(shí)，吸收率介于99.4%～99.9%之間，當(dāng)氣體流量為22.5 L/min時(shí)，吸收率介于99.1%～99.9%之間，當(dāng)氣體流量為30.0 L/min時(shí)，吸收率介于98.0%～99.9%之間。

圖4 氣體流量改變對(duì)吸收率的影響

從圖4可以看出，隨著氣體流量的提升，吸收率總體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。 原因是隨著氣體流量的升高，更多的HCl氣體進(jìn)入氣相旋流-液相射流凈化器內(nèi)， 提高了設(shè)備內(nèi)強(qiáng)旋混合氣流場(chǎng)的強(qiáng)度，使得吸收液液滴的破碎重組現(xiàn)象變得更為劇烈，氣、液兩相能更好地互相耦合，但更多的待處理氣體同時(shí)也為設(shè)備帶來了更大的凈化負(fù)荷，導(dǎo)致整體凈化效果下降。 與此同時(shí)，氣液兩相耦合時(shí)的氣相分壓得到了提高，在體積總傳質(zhì)系數(shù)降低的同時(shí)，總吸收速率同樣得到了提高。

2.3 HCl濃度對(duì)吸收率的影響

圖5顯示了當(dāng)室溫為25 ℃，吸收劑流量為40 L/h，氣體流量為25 L/min時(shí)，HCl濃度對(duì)吸收率的影響。當(dāng)HCl濃度為0.8%時(shí)，吸收率介于99.0%～99.9%之間， 當(dāng)HCl濃度為1.4%時(shí)， 吸收率介于98.50%～99.85%之間，當(dāng)HCl濃度為2.0%時(shí)，吸收率介于95.0%～99.9%之間。

圖5 HCl濃度對(duì)吸收率的影響

從圖5可以看出，隨著HCl濃度的提高，吸收率的變化趨勢(shì)與增加氣體流量時(shí)的情況類似。 原因是單純提高HCl的濃度，而不提升氣相速率，并不能強(qiáng)化WSA的強(qiáng)旋氣流場(chǎng)，也不能提高氣液耦合的強(qiáng)度與烈度，因此吸收率降低。 但是隨著HCl濃度的提高，氣相分壓得到了提高，總吸收速率反而得到了提高。

3 結(jié)論

3.1 使用氣相旋流-液相射流凈化器能夠有效地對(duì)富含HCl的氣體進(jìn)行脫除處理，使用強(qiáng)堿性吸收劑時(shí)， 吸收率始終維持在99.0%以上， 最高可達(dá)99.9%，符合各種工業(yè)應(yīng)用的要求，且占地面積小，效果遠(yuǎn)優(yōu)于當(dāng)前常用的各種堿洗噴淋吸收塔。

3.2 在相同條件下，吸收劑流量的提高能大幅度提升弱堿性吸收劑與水的吸收率，但是對(duì)強(qiáng)堿性吸收劑吸收率的提升作用不大。

3.3 在相同條件下，單位時(shí)間內(nèi)氣體流量越大或HCl濃度越大，吸收率越小，但強(qiáng)堿性吸收劑依然能維持一個(gè)相當(dāng)好的吸收效果。