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吸收设备
气态污染物控制方法之特性比较
处理方法项目
直接燃烧法
触媒燃烧法
活性炭吸附法
吸收法
冷凝法
生物处理法
设备费
中
高
中
低
低
中
操作费
高
中
高
中
低
低
温度(℃)
600~800
200~400
常温
常温
低温(<露点)
常温
排气量之限制
小~中
小~大
小
中~大
中
小~中
处理量之限制
低~高
低~高
低~中
低~高
高
低
回收能力
热能
热能
回收溶剂等
无
回收溶剂
无
衍生污染问题
可能产生有害气体、废弃物
可能产生有害气体、费触媒处理
废弃物或废碳再生
须考虑废液处理再生
须考虑废液处理或再生
无
吸收
一、吸收原理
吸收程序为典型化学工程单元操作的一种;主要是由液体与气体接触而使气体中某些成分移入液体而产生分离效果。
以吸收的方式控制气状污染物,其操作方式系将含有污染物之排气导入吸收设备,使其与吸收剂接触而除去污染物,再排出已净化的空气。
常以吸收法去除的气状污染物包括:
二氧化硫、硫化氢、氯化氢、氯气、氨气及低沸点之碳氢化合物。
1.1基本质量传送理论
常见的质量方式可以分为扩散及对流大类,计有如表1所列七种方式。
所谓的气体吸收,是由气相与液相的接触,使气相中的某种气态物质因溶解而转至液相,以达到分离目的。
氨气因溶解度甚高而溶于水中,形成氨水溶液,而空气(其中氨气成分已大为减少)则自水面逸出。
在气体吸收过程中需特别加以注意的质量传送现象为扩散与异相界面传送。
表1常见的质量传送方式(环训所,1996)
方式
起因
1.普通扩散
2.热扩散
3.压力扩散
4.强制扩散
5.自由对流
6.强制对流
7.异相接口之质量传送
浓度差
温度差
压力差
外力差
密度差
外力
相之不平衡
扩散质量传送的概念起始于公元1815年Parrot氏发现两成分或多成分气体混合物中,若成分之浓度不平均,则必有一使浓度均匀之自然现象发生,即分子由浓度较高处移到浓度较低处,而产生扩散质量传送。
因驱动力不同,扩散可为普通扩散、压力扩散、强制扩散及热扩散,其中以因浓度差而引起之普通扩散最为常见。
普通扩散系因浓度之不均匀,而引起分子间之相对运动,与对流或整体流动无关,故又称为分子扩散。
Fick于公元1855年提出扩散定律如下:
Fick’s第一扩散定律:
(1)
Fick’s第二扩散定律:
(2)
其中JA为成分A沿y方向扩散之通量,
=成分A之扩散系数,
=成分A之浓度。
扩散系数
的估算,可利用实验式求出。
1.2化学吸收及电解质吸收剂亨利常数
当考虑一发生化学气体吸收过程时,必需得知气体溶质在此化学溶剂中被吸收的量。
伴有化学反应时,被吸收的溶质包括液体中溶质未反应部分(遵守气液物理平衡关系,如亨利定律)及已反应部分(须由化学反应速率式求出)。
若液体吸收剂为电解质,如酸、碱、盐类,则可依
(9)
VanKrevelen及Hoftijzer(1948)提出方法来计算亨利常数:
其中
为溶质在电解水溶液中亨利常数,
为在纯水中亨利常数,h为阳、阴离子及气体之影响因子综合,I为离子强度。
而h及I的定义如下:
h=h++h-+hG(10)
(11)
h+,h-,hG之数值见表2及表3,分别表示阳离子、阴离子、气体之贡献值。
Ci为i离子之浓度,Zi为i离子之荷电数。
表2阳离子及阴离子之亨利常数修正因子(h+,h-)值,单位:
L/(gion)
阳离子
阴离子
h+=0.066
0.074
0.091
NH4+0.028
0.060
Ca2+0.053
Co2+0.058
Fe2+0.049
Mg2+0.051
Mn2+0.046
Ni2+0.059
Zn2+0.048
h-=0.066
0.012
0.012
0.005
NO3--0.001
CO32-0.021
SO42-0.022
表3:
气体亨利常数修正因子(hG)值
气体
温度(℃)
0
15
25
40
50
60
CO2
C2H2
H2
H2S
NH3
N2O
O2
SO2
-0.007
—
—
—
—
—
—
—
-0.010
—
-0.008
—
—
0.003
0.034
—
-0.019
-0.009
-0.002
-0.033
-0054
0.000
0.022
-0.103
-0.026
—
—
—
—
—
—
—
-0.029
—
—
—
—
—
—
—
-0.016
—
—
—
—
—
—
—
二、吸收塔的种类
2.1设备型式
吸收设备之设计首重液体与气体之混合均匀良好,以增加接触机会。
吸收塔之种类依气体—液体流动方式可分为三类:
(1)对流式:
在垂直之管柱中,液体自上方流下,气体自底部向上。
(2)同流式:
气体与液体均由上向下流。
(3)垂直交流式:
气体与液体之流动方向保持垂直。
若依设备之型式,则可分为填充塔、喷雾塔、文氏洗涤塔、平板塔、旋风洗涤塔等多种,分别如图13至17所示。
各种吸收设备之特性归纳如表15。
表1各种气体吸收装置的特性
名称
气体流量
(m3/min)
风速
(m/sec)
压力损失
(mmaq)
需要液体流量
(L/m3gas)
可能分离的粒径
(μm)
装置容量
填充塔
300
<1
100~300
1~10
~1
填充高度
2~5m
喷雾塔
10,000
<2
10~60
0.1~10
~5
塔高5m以上
喷水涤气器
1,000
喉部
20~50
0~200
50~100
~0.1
—
文氏涤气器
1,000
喉部
50~120
300~800
3~10
~0.1
—
旋风式涤气器
1,000
1~2
50~200
0.5~3
~1
—
脉冲涤器气
150
—
—
0.3
10
—
泡罩塔
—
0.3~1.0
—
4~50
—
—
选用吸收设备时,要先了解废气进流的状况(如:
流量、组成、温度等),然后选择适用的溶剂,并根据基本设计准则得出溶剂流量及吸收设备大小尺寸(如吸收塔直径及操作高度等)。
填充塔是各种吸收塔中最常被使用者,故在此详细介绍。
填充塔内通常填以表面积甚大的填充料。
填充料的目的在使气体与液体间有充分接触机会。
操作时,欲吸收的气体混合物由塔底进入,液体吸收的气体相接触,并吸收气体中成分,成一溶液而自塔底流出,气体则由塔顶排出。
优良的填充料(作用:
气液传质提供良好的传质条件)应具有下列性质:
(1)表面积大和良好的润湿性。
填充料的表面积大,可使塔内气液两相有足够的接触面。
(2)空隙大。
多在0.45-0.95。
填充料间的空隙越大,则气体通过时所造成的压力降越少,可减少动力损失。
填料的尺寸要适当,通常不应大于塔径的1/10~1/8;
(3)表面松。
填充料之表面松而多孔时,不但易于被液体润湿,且可增加气液两相的接触接口。
(4)重量轻。
采用较轻的填充料,可减轻吸收塔之重量,减少塔底所承受的压力,进而较少塔身的材料用量,降低设备成本。
(5)自由容积大。
此特性可增长气体与液体在塔中接触停留时间,在有化学反应发生的气体吸收过程中尤为重要。
(6)价格低廉。
坚固耐用。
(7)不会与液体吸收剂或气体混合物发生化学反应。
2.2吸收剂的选择
在选用吸收剂时,首应考虑的是液体对所欲去除的气体的溶解度如何?
其溶解度是否够大将影响到使用吸收剂量的多寡。
若需使用大量的液体来进行吸收,则此吸收过程就不是经济实用的处理方式,因其造成二次污染—使用过的吸收剂须处理。
此外液体本身的挥发性是否会影响到吸收操作时的吸收剂损失等,皆需纳入考虑。
选择要点详述如下:
(1)对气体之溶解性要大。
气体溶质在吸收剂内的溶解度越大,则吸收率越大,同时亦可减少吸收剂的用量。
(2)挥发性低。
选择低挥发性之吸收剂,除可减少吸收剂损失量,并可减少二次污染。
(3)化学安定性高。
使用安定性较高的吸收剂,可减少在储存或吸收过程中变质的可能性;可能的话,应选择非可燃性溶剂,以减少危害性。
(4)无毒性。
基于操作安全的考虑,以及吸收液使用后的处理,选择吸收剂时宜注意其毒性问题。
(5)对吸收设备应不具腐蚀性。
(6)粘度低。
粘度低的吸附剂,除可增加质量传送速率,也可降低吸收设备内的压力降,减少抽取吸收剂时所需的动力。
(7)若以加热法再生吸收剂时,宜采用比热小的吸收剂以降低所需热量。
(8)大量使用时,需考虑价格及来源充沛与否。
最常使用的吸收剂是水。
水除了价廉易取得外,亦可溶解相当多种类的物质。
在使用时可在水中加入适当的化学药品以促进吸收效率;加入化学药品的作用有些是有助于溶解度的提高,有些是会与溶于水中污染物发生化学作用(如使用石灰溶液吸收二氧化硫之情形)。
例如1:
常用于净化煤气中的CO2和废气中的SO2、HF、SiF4以及去除NH3和HCL等。
水除了价廉易取得外,亦可溶解相当多种类的物质。
在使用时可在水中加入适当的化学药品以促进吸收效率;加入化学药品的作用有些是有助于溶解度的提高,有些是会与溶于水中的污染物发生化学作用(如使用石灰溶液吸收二氧化硫的情形)。
优点:
加压和低温下吸收,降压和升温下解吸,价廉易得,流程设备简单。
缺点:
净化效率低,设备庞大,动力消耗大。
例如2:
碱金属钠、钾、铵或碱土金属钙、镁等的溶液,也是很有效的吸收剂。
它们能与气态污染物SO2、HCL、HF、NOx等发生化学反应,因而吸收能力大大增加,净化效率高,液气比低。
如用水或碱液净化气体中的H2S时,理论值可推算出:
H2S在PH=9的碱液中的溶解度为PH=7的中性水的50倍;H2S在PH=10的碱液中的溶解度为PH=7的中性水的500倍。
缺点:
化学吸收流程长,设备较多,操作也较复杂,吸收剂价格较贵,同时由于吸收能力强,吸收剂不易再生。
吸收现象依其吸收剂与污染物间的作用不同,可分为物理吸收与化学吸收,其主要区别如表5所示。
一般而言,以水为吸收剂时,除非被吸收的气体在水中会产生水解反应或与水发生化学反应,否则应属物理吸收范围。
表5物理吸收与化学吸收比较
物理吸收
化学吸收
单纯的物理溶解过程,溶解度与气体分压成正比。
平衡线在一定范围内为线性。
易取得平衡资料。
吸收速率取决于吸收质在气液膜内扩散速率。
须考虑化学反应的影响,液相中的纯吸收质浓度降低,增加了吸收的对动力,提高了吸收速率。
吸收速率与扩散速率和化学反应速率有关。
吸收热较小,约在数百~1,000kcal/kmole
吸收热(包含化学反应热)较大,可至20,000kcal/kmole
不易完全去除气体中之溶质成分,较适用于气体分压高时。
容易移去欲吸收的成分,但依不同之化学反应而异,在气体分压低时亦可能有很好的去除率。
物理吸收与化学吸收的型态不相同。
原因在于物理吸收单纯受溶解度影响,而化学吸收剂则受到化学反应速率影响。
后者之溶质吸收量包括未反应部分(遵守气液之物理平衡关系)及已反应部分(须由化学反应速率式求出)。
进行化学吸收过程时,其真正影响吸收效率(或吸收量)的因素比单纯的化学反应困难些,因为其牵涉到异相(此指气相与液相)间的化学反应,气体分子必须先融入液体中才能发生化学反应。
故而在实际应用时,常须以小规模试验来求取物理吸收平衡数据及化学反应动力参数(如反欧应速率常数、反应级数),才能放大为有效可用之吸收程序。
对酸性气体而言,碱性溶剂是很好的选择。
碱有强碱和弱碱之分:
强碱如氢氧化钾、氢氧化钠等,其吸收反应(包含化学反应)很快且很完全,几乎只往正向反应,吸收率高,但再生不易;碳酸盐类、胺类等,吸收率不及强碱,但再生较易。
表6控制因素举例
气膜控制
液膜控制
双膜控制
H2O吸收NH3
H2O或弱碱吸收CO2
H2O吸收SO2
H2O吸收HCL
H2O吸收CL2
H2O吸收丙酮
碱液或氨水吸收SO2
H2O吸收O2
浓硫酸吸收NO2
浓硫酸吸收SO2
H2O吸收H2
弱碱吸收H2S
表7典型常用的气体吸收过程
吸收剂
适用的待处理气体污染物
水
CI2、HCN、HCl、HF、NH3、SiF4等极易溶于水之有机性气体。
有机溶剂(如甲醇等)
H2S、CO2、碳氢化合物(分子量较大者)
碱类溶液(如Ca(OH)2、KOH、NaOH、乙醇胺等水溶液)
CO2、H2S、SO2
碳酸盐水溶液(如K2CO3、Na2CO3等水溶液)
CO2
无机盐水溶液(如K2SO3、K3PO4、MgO)
SO2
芳香胺
SO2
烷香胺
CO2、H2S
三、吸收塔的设计及成本
3.1吸收塔(填充塔)之设计。
(1)选用吸收剂。
(2)评估操作数据。
(3)估算操作数据(包括质量与能量平衡)。
(4)选用适合的设备型式(吸收塔型式)。
(5)计算吸收塔直径。
(6)计算塔高或层板数。
(7)确定吸收塔压力降。
须注意的设计原则如下:
(1)尺寸:
为使气体速度均匀一致,必须避免锐弯头,同时必须在可能发生管流的地方设置分布调节板。
(2)喷嘴的选择及液体的分布:
喷嘴主要有水压式及气压式两种。
若水压式受液体粘滞度之限制,可采用气压式喷嘴以利产生较细的液滴。
(3)液体处理设备:
为防止吸收液造成环境污染问题,常以循环使用吸收液之方式以减少废水量,但也因此增加了吸收液中污染物的浓度。
液体处理设备包括吸收液泵,吸收液废液废泵、沉淀池和有关管线。
(4)建造材料:
选择抗触及耐热的材料,通常应经化学分析其材质。
此外须归集类似装置材料的使用状况及文献记载,必要时加以试验,再依实际需求及价格选择适当的材料。
(5)检测仪器:
吸收塔应该设有测量压力降及流量的仪表,若有高温气体通过,也应有温度测定装置。
填料塔塔径的计算
D取决于处理的气体量Q和适宜的空塔气速u0,
即:
D——塔径,m;
Q——处理气量,m3/s;
u0——空塔气速,m/s。
Q一定时,如果空塔气速小,塔径就大,则动力消耗少,但设备投资高;如果空塔气速大,塔径就小,则动力消耗大,但设备投资少。
根据生产经验:
(1)由ut确定,u0=0.66~0.80ut,其中ut为液泛速率
液泛速率:
是填料塔正常操作气速的上限。
当空气气速超过液泛气速时,填料塔持液量迅速增加,压降急剧上升,气体夹带液沫严重,填料塔的正常操作被破坏。
填料塔的压降影响动力消耗和正常操作费用。
影响压降和液泛气速的因素很多,主要有填料的特性、气体和液体的流量及物理性质等。
目前工程设计中应用最广泛的是埃克特(Eckert)等人提出的填料塔压降、液泛和各种因素之间的关联图。
填料塔泛点和压降的通用关联图。
(2)有关手册中查得。
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