旋流板塔吸收处理废气实验研究.pdf

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1、 实验技术与实验发展 旋流板塔吸收处理废气实验研究 翁 棣,唐先进,乔少华,楼 斌,夏炎炎,张锦鹏,赵新景,彭逸瑾 (浙江大学 环境与资源学院,浙江 杭州 310029 ) 摘 要:研究吸收液流量对旋流板塔去除CO2废气的去除率的影响,并计算其总传质吸收系数。结果表明, 第一层塔板的单塔板效率最高,明显高于其余板层,随着吸收液流量的不断增加,污染物的塔板累计去除 率也随之增加。总体积传质吸收系数KYa为79. 4 kmol/m3h。 关键词:二氧化碳;氢氧化钠;旋流板塔;传质吸收系数 中图分类号: G424. 31 文献标识码: A 文章编号: 100224956(2006) 03200252

2、04 Experimental Study on VolumetricMass Transfer Coefficients for CO2 Removel from Polluted Air into Aqueous Solution ofNaOH in a Rotating2stream2tray Scrubber WENGDi,TANG Xian2jing, Q I AO Shao2hua, LOU Bing, XI A Yan2yan, ZHAO Xin2jing,ZHANG Jin2peng,PENG Yi2jing (School of Environmental and Resou

3、rce Sciences, ZhejiangUniversity, Hangzhou 310029, China) Abstract: The present study demonstrates that the relation of the absorption liquid flow rate and removel efficiency of CO2in a rotating2stream2tray (RST) scrubber . The results showed that the first tower traysMurphree plate efficien2 cy (Em

4、v) wasmaximum and significantly higher than other tray floorss Emv. The test showed that volumetric overall mass transfer coefficient (KYa) of dilute CO2KYavaluewas 79. 4 kmol/m3h。The CO2removal efficiency could be remarkably i mproved by increasing absorption liquid flow rate. The relation of CO2re

5、moval efficiency and absorption liquid flow rate was obtained, aswell as the effects of sodium hydroxide concentration and liquid/gas ratios on CO2 removal efficiency . Key words: carbon dioxide;sodium hydroxide;rotating2stream2tray scrubber;volumetric overallmass transfer co2 efficients 收稿日期: 20052

6、08217 修改日期: 2005211209 作者简介:翁棣(1962 ) , 男,高级工程师 基金项目:浙江省教育厅基金资助项目(No. 20040190) 1 旋流板塔简介 旋流板塔是一种喷射型塔板洗涤器,由我校化 工系谭天恩教授发明,本实验装置的旋流板塔结 构,采用9层塔板,塔板叶片如固定的风车叶片, 气流通过叶片时产生旋转和离心运动,吸收液通过 中间盲板分配到每个叶片,形成薄液层,与旋转向 上的气流形成搅动,喷成细小液滴,甩向塔壁后, 液滴受重力作用集流到集液槽,并通过降液管流到 下一塔板的盲板区。具有一定风压、风速的待处理 气流(以CO2模拟SO2)从塔的下部进,上部出。 吸收液从塔

7、的上部进、下部出。气流与吸收液在塔 内作相对运动,并在旋流塔板的结构部位形成很大 表面积的水膜,从而大大提高了吸收作用。每一层 的吸收液经旋流离心作用掉入边缘的收集槽,再经 导流管进入下一层塔板,进行下一层的吸收作用。 主要机制是尘粒与液滴的惯性碰撞,离心分离和液 膜粘附等。其气液接触的传质过程适合于气相扩散 控制的过程,如气液直接接触传热、快速反应吸收 等,这种塔板由于开孔率较大,允许高速气流通 过,因此负荷较高,处理能力较大,压降较低,操 作弹性较大。 中国科技论文统计源期刊 (中国科技核心期刊) 实 验 技 术 与 管 理 EXPER I MENTAL TECHNOLOGYAND MAN

8、AGEMENT Vol . 23 No. 3 MAR. 2006 2 实验设备及操作步骤 2. 1 实验装置 实验装置中,旋流塔板直径为15cm,叶片仰 角为25,共9层。水泵是单相电泵,型号: DOB - 100。风机为塑料离心式通风机,型号:4 - 72型 2#3。高速鼓风机: 2800r/min;旋流塔高: 140cm;塔 径:15cm。 变 频 器:M ITSUB ISH I FREQROL - U100型。成套装置由杭州之江水处理 设备厂制造,见图1。 图1 实验装置图 2. 2 实验装置开车操作 ( 1)准备工作 检查各处阀门,检查电气控制 箱,检查CO2气体钢瓶,配制吸收液。 (

9、 2)实验过程 开启总电源;开启循环泵,调 至所需流量;开启变频控制器,调节使风机达到所 需流量;开启CO2钢瓶,调节输出压力,调节所需 进气量;经过一定时间的稳定,测定配气箱出口浓 度,测定旋流板塔各取样口的CO2浓度,仪器法测 定CO2气体浓度。CO2检测仪为美国Telaire公司制 造的Telaire 7001型便携式二氧化碳/温度检测仪, CO2通道性能指标:010 000 ppm(显示 ) , 0 4000 ppm (电压输出 ) ; 灵敏度:1 ppm;准确 度:50 ppm;重复性:20 ppm;年漂移:2 ppm;检测方式:双光束无弥散红外线;采样方 式:扩散或流动进气 (50

10、 100 mlmin - 1 )。对各 个取样口出来的气体进行测定,方法:用一只 1000 ml的抽滤瓶,将抽滤瓶的抽气口用橡皮管与 设备的取样口连接,因为各取样口都是正压,所以 只要打开取样口阀门,气体就会自动进入抽滤瓶。 改变条件,重复上述步骤。 ( 3)实验结束 关闭CO2钢瓶,关闭循环泵, 关闭变频控制器,如不再进行实验,则将吸收液排 空,并用清水清洗管路。 3 实验数据及分析 实验以0. 05 molL - 1 NaOH作为吸收液,对 CO2进行吸收处理,表1、表2、表3是实验记录。 表1 实验数据纪录 吸收液流量 Lh- 1 CO2流量 m3h- 1 各层塔板的CO2浓度/ (mg

11、L - 1) 进口987654321 600 400 0. 4 7918 6940 6593 6597 6449 6399 6322 6149 6230 5935 6153 5641 6077 5355 5997 5067 5917 4956 5836 200659665266483642363626247619761616127 62 实 验 技 术 与 管 理 表2 旋流塔塔板累积去除率 吸收液流量 Lh- 1 CO2流量 m3h- 1 各层塔板的CO2浓度/ (mgL - 1) 进口987654321 600 40 0. 4/ 12. 35 16. 74 16. 68 18. 66 19

12、. 14 20. 61 22. 15 21. 51 25. 02 22. 28 28. 756 23. 22 32. 36 24. 26 36. 07 25. 23 37. 44 26. 22 20016. 6917. 5218. 2618. 8319. 6321. 1121. 7922. 1522. 65 表3 旋流塔各塔板单独去除率 吸收液流量 Lh- 1 CO2流量 m3h- 1 各层塔板的CO2浓度/% 进口987654321 600 400 0. 4/ 12. 35 16. 74 4. 92 2. 18 3. 04 1. 98 3. 96 1. 46 3. 41 1. 55 4. 9

13、 1. 27 5. 0 1. 31 5. 32 1. 34 2. 12 1. 37 20016. 691. 090. 630. 970. 921. 850. 840. 560. 55 从图2可以看出,随着吸收液流量的增大, CO2的累积去除率总体上呈增加的趋势,原因是因 为充足的碱液和气体基础,传质吸收效率增加。图 3显示,无论吸收液的流量怎么变化,对于一定浓 度的污染物,在第1层塔板上的效率最高,从第1 层以后的每1层塔板的浓单板效率都不是很高,明 显低于第1板。因为在第1层塔板的时候,气相浓 度最大,而液相浓度也并不是很大,根据亨利定律 y=mx,因为y较大,所以与之平衡的液相浓度 x也相

14、应较大,所以污染物会被大量吸收,于是使 得第1层塔板效率较高,而自第1层塔板以后,由 于经过每1层塔板后气相浓度都会降低,使得与之 相对的x也在不断降低,所以单板效率就不如第1 层塔板的高。在线风量:1. 6 m 3 min - 1 , 50 Hz; 气流温度: 27. 0;吸收液温度: 23. 4。 图2 不同吸收液流量时塔板对CO2的累积去除率图3 不同吸收液流量时各塔板层上的CO2单板去除率 表4、表5为实验记录,各层塔板的效率曲线见图4。 表4 不同气、液流量时进口及各采样口的CO2浓度/kgL - 1 序 号 气流量 m3h- 1 液流量 Lh- 1 进口123456789 10.

15、403007506691068546654658563226100595256745460 20. 444208334772274387259698068356533633061975998 30. 402006542609960725987593258655716568355965525 40. 401006542570556225583550254305423531652455237 50. 253006480599659905840557353895360488546924500 60. 255006520572055925309523551945068491048234793 72 翁

16、 棣,等:旋流板塔吸收处理废气实验研究 表5 不同液气比时各塔板CO2去除效率i/% 序号液气比123456789 10. 7507. 948. 6911. 412. 315. 818. 820. 724. 427. 3 20. 9547. 3410. 812. 916. 218. 021. 624. 025. 628. 0 30. 5006. 777. 188. 489. 3210. 312. 613. 114. 515. 5 40. 25012. 814. 114. 615. 917. 017. 118. 719. 819. 9 51. 207. 477. 569. 8814. 016.

17、817. 324. 627. 630. 6 62. 0012. 314. 218. 619. 720. 322. 324. 726. 026. 5 图4 各层塔板效率曲线 由图表可以明显看出,气液比为1. 20时吸收 有效率最高,为30. 6%;随着气流在塔中的上升, CO2被逐层吸收,去除率增加;在液气比0. 750和 2. 00之间可能有更好的气液比的存在,使得去除 率更大。 4 传质吸收系数计算 假设P为大气压,实测吸收液温度27. 8, 根据有关手册和经验数据,lgE=11. 468 - 1922 /T, 所以计算得E=120. 6kPa,因此: m = E P =120.6101.2

18、=1.19 又已知h= 1. 5m,= 3. 140. 140. 144 =0. 0154 m 2 对于本实验低浓度气体,可近似取Yy,X x (x,y均为摩尔分率;X,Y为摩尔比) 4. 1 总体积传质吸收系数KYa 以效率最高的液体流量(600 Lh - 1 )计。 由Y1=7.91810 - 3、Y 2=4.95610 - 3、X 2= 0、 L= 33.3 kmolh - 1 (吸收液很稀,且是化学吸收, 故X2=0)、G= 4. 17 kmolh - 1 ,根据物料衡算公 式G (Y1-Y2)=L (X1-X2)所以: X1= G/L (Y1- Y2)=5.2710 -5 总传质推动

19、力Ym Ym= ( Y1- m X1 ) -(Y 2 - m X2 ) / ln (Y1- m X1) / (Y2- m X2) =6.280110 -3 吸收塔内NH3被液相吸收的量GA GA= G(Y1- Y2)=1.15175410 -2 kmolh - 1 总体积传质吸收系数KYa KYa= GA / ( h Ym)=79.4 kmol (m 3 h - 1 ) 4. 2 理论单板效率与实验单板效率比较 因为本吸收为化学吸收,所以效率可以简化为 =1 - ( 1- Emv) N 所以 Emv=1 - (1 - ) 1/N =1 -(1 - 0. 3744) 1/9 =0. 05 计算所

20、得的单板效率与实验所得第2板到第9板的 单板效率大致符合,见图3,表3。 参考文献(References) : 1 吴忠标,余世清,莫建松.己二酸强化石灰石浆液脱硫工艺过 程研究J .高校化学工程学报. 2003,(17) 5: 5402544. 2 Frandsen J B E, Kiil S, Johnsson J E. Optimization of a wet FGD pilot plant using fine limestone and organic acids J . Chemical En2 gineering Science. 2001,(56) : 327523287.

21、3 吴忠标,谭天恩.石灰/石灰石湿法脱硫中添加剂的研究 J . 中国环境科学, 1995, 15 (6) : 4382442. 4 孙文寿,吴忠标,谭天恩.旋流板塔镁强化石灰脱硫过程研究 J 环境科学, 2001, 22 (3) : 1042107. 5 吴忠标,刘越.废大理石粉湿法烟气脱硫工艺实验研究 J . 环境科学, 2002, 23 (1) : 44247. 6 骆培成,焦真,王志祥,张志炳.填料塔中碱性水溶液对空气 中微量CO2的净化J .化工学报, 2003,(54) 6: 8242829. 7 C. D. Cooper,F. C. Alley . Air Pollution Control: A Design Ap2 proach M . PWS Publishers . U. S . A. 1995 8 谭天恩,麦本熙,丁惠华.化工原理(上、下)M .北京: 化学工业出版社2000. 9 Noel de Nevers Air Pollution Control Engneering .M . McGraw2 Hill,Inc. 1995. U. S . A. 10翁棣.大气污染控制工程实验(胶印) M .杭州:浙江大 学, 2004. 82 实 验 技 术 与 管 理