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旋流板塔吸收處理廢氣實(shí)驗(yàn)研究

文檔作者：翁棣唐先進(jìn) 喬少華樓斌夏炎炎張錦鵬趙新景彭逸瑾文檔來源：浙江大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年05月13日
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實(shí)驗(yàn)技術(shù)與實(shí)驗(yàn)發(fā)展
旋流板塔吸收處理廢氣實(shí)驗(yàn)研究
翁　棣, 唐先進(jìn), 喬少華, 樓　斌, 夏炎炎, 張錦鵬, 趙新景, 彭逸瑾
(浙江大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院, 浙江杭州　310029 )
摘　要: 研究吸收液流量對(duì)旋流板塔去除CO2廢氣的去除率的影響, 并計(jì)算其總傳質(zhì)吸收系數(shù)。結(jié)果表明,
第一層塔板的單塔板效率最高, 明顯高于其余板層, 隨著吸收液流量的不斷增加, 污染物的塔板累計(jì)去除
率也隨之增加?？傮w積傳質(zhì)吸收系數(shù)KYa為79. 4 kmol/m3 ·h。
關(guān)鍵詞: 二氧化碳; 氫氧化鈉; 旋流板塔; 傳質(zhì)吸收系數(shù)
中圖分類號(hào): G424. 31　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A　　文章編號(hào): 100224956 (2006) 0320025204
Experimental Study on VolumetricMass Transfer Coefficients for CO2
Removel from Polluted Air into Aqueous Solution ofNaOH in a
Rotating2 stream2 tray Scrubber
WENG Di, TANG Xian2 jing, Q IAO Shao2hua, LOU Bing, XIA Yan2yan,
ZHAO Xin2 jing, ZHANG J in2peng, PENG Yi2 jing
( School of Environmental and Resource Sciences, Zhejiang University, Hangzhou 310029, China)
Abstract: The p resent study demonstrates that the relation of the absorp tion liquid flow rate and removel efficiency of
CO2 in a rotating2stream2tray (RST) scrubber. The results showed that the first tower tray’sMurphree p late efficien2
cy ( Emv ) wasmaximum and significantly higher than other tray floors’s Emv. The test showed that volumetric overall
mass transfer coefficient (KYa ) of dilute CO2 KYa value was 79. 4 kmol/m3 ·h。The CO2 removal efficiency could be
remarkably imp roved by increasing absorp tion liquid flow rate . The relation of CO2 removal efficiency and absorp tion
liquid flow rate was obtained, as well 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: 2005208217　修改日期: 2005211209
作者簡介: 翁棣(1962—) , 男, 高級(jí)工程師
基金項(xiàng)目: 浙江省教育廳基金資助項(xiàng)目(No. 20040190)
1　旋流板塔簡介
旋流板塔是一種噴射型塔板洗滌器, 由我校化
工系譚天恩教授發(fā)明, 本實(shí)驗(yàn)裝置的旋流板塔結(jié)
構(gòu), 采用9層塔板, 塔板葉片如固定的風(fēng)車葉片,
氣流通過葉片時(shí)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)和離心運(yùn)動(dòng), 吸收液通過
中間盲板分配到每個(gè)葉片, 形成薄液層, 與旋轉(zhuǎn)向
上的氣流形成攪動(dòng), 噴成細(xì)小液滴, 甩向塔壁后,
液滴受重力作用集流到集液槽, 并通過降液管流到
下一塔板的盲板區(qū)。具有一定風(fēng)壓、風(fēng)速的待處理
氣流(以CO2模擬SO2 ) 從塔的下部進(jìn), 上部出。
吸收液從塔的上部進(jìn)、下部出。氣流與吸收液在塔
內(nèi)作相對(duì)運(yùn)動(dòng), 并在旋流塔板的結(jié)構(gòu)部位形成很大
表面積的水膜, 從而大大提高了吸收作用。每一層
的吸收液經(jīng)旋流離心作用掉入邊緣的收集槽, 再經(jīng)
導(dǎo)流管進(jìn)入下一層塔板, 進(jìn)行下一層的吸收作用。
主要機(jī)制是塵粒與液滴的慣性碰撞, 離心分離和液
膜粘附等。其氣液接觸的傳質(zhì)過程適合于氣相擴(kuò)散
控制的過程, 如氣液直接接觸傳熱、快速反應(yīng)吸收
等, 這種塔板由于開孔率較大, 允許高速氣流通
過, 因此負(fù)荷較高, 處理能力較大, 壓降較低, 操
作彈性較大。
中國科技論文統(tǒng)計(jì)源期刊
(中國科技核心期刊) 　　　　　　　
實(shí)　驗(yàn)　技　術(shù)　與　管　理
EXPER IMENTAL TECHNOLOGY AND MANAGEMENT
　　　　　　　Vol. 23　No. 3
MAR. 2006
　　　
2　實(shí)驗(yàn)設(shè)備及操作步驟
2. 1　實(shí)驗(yàn)裝置
實(shí)驗(yàn)裝置中, 旋流塔板直徑為15cm, 葉片仰
角α為25°, 共9 層。水泵是單相電泵, 型號(hào):
DOB - 100。風(fēng)機(jī)為塑料離心式通風(fēng)機(jī), 型號(hào): 4 -
72型2 # 3。高速鼓風(fēng)機(jī): 2800 r /min; 旋流塔高:
140cm; 塔徑: 15cm。變頻器: M ITSUB ISH I
FREQROL - U100型。成套裝置由杭州之江水處理
設(shè)備廠制造, 見圖1。
圖1　實(shí)驗(yàn)裝置圖
2. 2　實(shí)驗(yàn)裝置開車操作
( 1) 準(zhǔn)備工作　檢查各處閥門, 檢查電氣控制
箱, 檢查CO2氣體鋼瓶, 配制吸收液。
( 2) 實(shí)驗(yàn)過程　開啟總電源; 開啟循環(huán)泵, 調(diào)
至所需流量; 開啟變頻控制器, 調(diào)節(jié)使風(fēng)機(jī)達(dá)到所
需流量; 開啟CO2鋼瓶, 調(diào)節(jié)輸出壓力, 調(diào)節(jié)所需
進(jìn)氣量; 經(jīng)過一定時(shí)間的穩(wěn)定, 測定配氣箱出口濃
度, 測定旋流板塔各取樣口的CO2濃度, 儀器法測
定CO2氣體濃度。CO2檢測儀為美國Telaire公司制
造的Telaire 7001型便攜式二氧化碳/溫度檢測儀,
CO2通道性能指標(biāo): 0 ～10 000 ppm (顯示) , 0 ～
4000 ppm (電壓輸出) ; 靈敏度: ±1 ppm; 準(zhǔn)確
度: ±50 ppm; 重復(fù)性: ±20 ppm; 年漂移: ±2
ppm; 檢測方式: 雙光束無彌散紅外線; 采樣方
式: 擴(kuò)散或流動(dòng)進(jìn)氣(50～100 ml·min- 1 ) 。對(duì)各
個(gè)取樣口出來的氣體進(jìn)行測定, 方法: 用一只
1000 ml的抽濾瓶, 將抽濾瓶的抽氣口用橡皮管與
設(shè)備的取樣口連接, 因?yàn)楦魅涌诙际钦龎? 所以
只要打開取樣口閥門, 氣體就會(huì)自動(dòng)進(jìn)入抽濾瓶。
改變條件, 重復(fù)上述步驟。
( 3) 實(shí)驗(yàn)結(jié)束　關(guān)閉CO2鋼瓶, 關(guān)閉循環(huán)泵,
關(guān)閉變頻控制器, 如不再進(jìn)行實(shí)驗(yàn), 則將吸收液排
空, 并用清水清洗管路。
3　實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析
實(shí)驗(yàn)以0. 05 mol·L - 1 NaOH作為吸收液, 對(duì)
CO2進(jìn)行吸收處理, 表1、表2、表3是實(shí)驗(yàn)記錄。
表1　實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)紀(jì)錄
吸收液流量
L·h - 1
CO2 流量
m3 ·h - 1 各層塔板的CO2 濃度/ (mg·L - 1 )
進(jìn)口9 8 7 6 5 4 3 2 1
600
400
0. 4
7918
6940
6593
6597
6449
6399
6322
6149
6230
5935
6153
5641
6077
5355
5997
5067
5917
4956
5836
200 6596 6526 6483 6423 6362 6247 6197 6161 6127
26 實(shí)　驗(yàn)　技　術(shù)　與　管　理
　　　　　
表2　旋流塔塔板累積去除率
吸收液流量
L·h - 1
CO2 流量
m3 ·h - 1 各層塔板的CO2 濃度/ (mg·L - 1 )
進(jìn)口9 8 7 6 5 4 3 2 1
600
40
0. 4 /
12. 35
16. 74
16. 68
18. 66
19. 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
200 16. 69 17. 52 18. 26 18. 83 19. 63 21. 11 21. 79 22. 15 22. 65
表3　旋流塔各塔板單獨(dú)去除率
吸收液流量
L·h - 1
CO2 流量
m3 ·h - 1 各層塔板的CO2 濃度/%
進(jìn)口9 8 7 6 5 4 3 2 1
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
1. 27
5. 0
1. 31
5. 32
1. 34
2. 12
1. 37
200 16. 69 1. 09 0. 63 0. 97 0. 92 1. 85 0. 84 0. 56 0. 55
　　從圖2 可以看出, 隨著吸收液流量的增大,
CO2的累積去除率總體上呈增加的趨勢, 原因是因
為充足的堿液和氣體基礎(chǔ), 傳質(zhì)吸收效率增加。圖
3顯示, 無論吸收液的流量怎么變化, 對(duì)于一定濃
度的污染物, 在第1層塔板上的效率最高, 從第1
層以后的每1層塔板的濃單板效率都不是很高, 明
顯低于第1板。因?yàn)樵诘?層塔板的時(shí)候, 氣相濃
度最大, 而液相濃度也并不是很大, 根據(jù)亨利定律
y =m ·x, 因?yàn)閥較大, 所以與之平衡的液相濃度
x也相應(yīng)較大, 所以污染物會(huì)被大量吸收, 于是使
得第1層塔板效率較高, 而自第1層塔板以后, 由
于經(jīng)過每1層塔板后氣相濃度都會(huì)降低, 使得與之
相對(duì)的x也在不斷降低, 所以單板效率就不如第1
層塔板的高。在線風(fēng)量: 1. 6 m3 ·min- 1 , 50 Hz;
氣流溫度: 27. 0 ℃; 吸收液溫度: 23. 4 ℃。
圖2　不同吸收液流量時(shí)塔板對(duì)CO2的累積去除率圖3　不同吸收液流量時(shí)各塔板層上的CO2單板去除率
　　表4、表5為實(shí)驗(yàn)記錄, 各層塔板的效率曲線見圖4。
表4　不同氣、液流量時(shí)進(jìn)口及各采樣口的CO2濃度/kg·L - 1
序
號(hào)
氣流量
m3 h - 1
液流量
Lh - 1 進(jìn)口1 2 3 4 5 6 7 8 9
1 0. 40 300 7506 6910 6854 6654 6585 6322 6100 5952 5674 5460
2 0. 44 420 8334 7722 7438 7259 6980 6835 6533 6330 6197 5998
3 0. 40 200 6542 6099 6072 5987 5932 5865 5716 5683 5596 5525
4 0. 40 100 6542 5705 5622 5583 5502 5430 5423 5316 5245 5237
5 0. 25 300 6480 5996 5990 5840 5573 5389 5360 4885 4692 4500
6 0. 25 500 6520 5720 5592 5309 5235 5194 5068 4910 4823 4793
翁　棣, 等: 旋流板塔吸收處理廢氣實(shí)驗(yàn)研究27
　　　
表5　不同液氣比時(shí)各塔板CO2去除效率ηi /%
序號(hào)液氣比1 2 3 4 5 6 7 8 9
1 0. 750 7. 94 8. 69 11. 4 12. 3 15. 8 18. 8 20. 7 24. 4 27. 3
2 0. 954 7. 34 10. 8 12. 9 16. 2 18. 0 21. 6 24. 0 25. 6 28. 0
3 0. 500 6. 77 7. 18 8. 48 9. 32 10. 3 12. 6 13. 1 14. 5 15. 5
4 0. 250 12. 8 14. 1 14. 6 15. 9 17. 0 17. 1 18. 7 19. 8 19. 9
5 1. 20 7. 47 7. 56 9. 88 14. 0 16. 8 17. 3 24. 6 27. 6 30. 6
6 2. 00 12. 3 14. 2 18. 6 19. 7 20. 3 22. 3 24. 7 26. 0 26. 5
圖4　各層塔板效率曲線
　　由圖表可以明顯看出, 氣液比為1. 20時(shí)吸收
有效率最高, 為30. 6%; 隨著氣流在塔中的上升,
CO2被逐層吸收, 去除率增加; 在液氣比0. 750和
2. 00之間可能有更好的氣液比的存在, 使得去除
率更大。
4　傳質(zhì)吸收系數(shù)計(jì)算
假設(shè)P 為大氣壓, 實(shí)測吸收液溫度27. 8 ℃,
根據(jù)有關(guān)手冊(cè)和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù), lgE = 11. 468 - 1922 /T,
所以計(jì)算得E = 120. 6kPa, 因此:
m =
E
P
= 120. 6 ÷101. 2 = 1. 19
　　又已知h = 1. 5m, Ω = 3. 14 ×0. 14 ×0. 14 ÷4
= 0. 0154 m2
對(duì)于本實(shí)驗(yàn)低濃度氣體, 可近似取Y≈ y, X≈
x ( x, y均為摩爾分率; X, Y為摩爾比)
4. 1　總體積傳質(zhì)吸收系數(shù)KYa
以效率最高的液體流量(600 L·h- 1 ) 計(jì)。
由Y1 =7. 918 ×10- 3、Y2 = 4. 956 ×10- 3、X2 = 0、
L = 33. 3 kmol·h- 1 (吸收液很稀, 且是化學(xué)吸收,
故X2 = 0) 、G = 4. 17 kmol·h- 1 , 根據(jù)物料衡算公
式G ( Y1 - Y2 ) =L (X1 - X2 )所以:
X1 = G /L ( Y1 - Y2 ) = 5. 27 ×10- 5
總傳質(zhì)推動(dòng)力ΔYm
ΔYm = [ ( Y1 - m X1 ) - ( Y2 - m X2 ) ] /
ln [ ( Y1 - m X1 ) / ( Y2 - m X2 ) ] = 6. 2801 ×10- 3
吸收塔內(nèi)NH3被液相吸收的量GA
GA = G ( Y1 - Y2 ) = 1. 151754 ×10- 2 kmol·h- 1
總體積傳質(zhì)吸收系數(shù)KYa
KYa = GA / (Ω·h·ΔYm ) = 79. 4 kmol·(m3 ·h- 1 )
4. 2　理論單板效率與實(shí)驗(yàn)單板效率比較
因?yàn)楸疚諡榛瘜W(xué)吸收, 所以效率可以簡化為
η = 1 - (1 - Emv ) N
所以
Emv = 1 - (1 -η) 1 /N = 1 - (1 - 0. 3744) 1 /9 = 0. 05
計(jì)算所得的單板效率與實(shí)驗(yàn)所得第2板到第9板的
單板效率大致符合, 見圖3, 表3。
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