气相旋流-液相射流净化器用于脱除HCl

2021-10-28毛卫岗

化工机械 2021年5期

毛卫岗马良

（1.天华化工机械及自动化研究设计院有限公司；2.华东理工大学机械与动力工程学院）

HCl气体对环境有相当的危害性，对于人体的眼部、呼吸道等部位有强烈的刺激性，可引起的相关症状包括结膜炎、角膜坏死及支气管炎等。目前HCl的排放要求为小于0.2 mg/m3，因此不管在工业或是民用企业内，都必须对含HCl的尾气进行处理。工业上处理含HCl的尾气通常采用2～3座酸洗喷淋塔与1～2座碱洗喷淋塔串联的方式进行吸收。但这种处理方式因单个喷淋塔的吸收效率较低而导致总成本极高，且占地面积相当大。个别情况下，有厂家加入了冷却系统，通过降低温度的方式优化吸收效果，但收效甚微，依旧需要至少3座喷淋吸收塔才能达到排放要求。 Ochowiak M等对喷淋塔界面进行了改性，虽然能在一定程度上提高喷淋塔的效率，但没有解决喷淋塔占地面积过大导致的成本高的问题［1］。在Lokhandwala K A等提出了膜法除氯的工艺［2］、Lindbråthen A等讨论了膜法除氯的可行性［3］后，San Roman M F等使用了膜法回收废液中的HCl［4］。目前膜法主要用于液相内的HCl处理，而非废气中。Zhu X等提出了用钛渣制备高纯二氧化钛，以避免HCl的排放，但此工艺距离工业化还很遥远［5］。 Kurella S等使用Multistage Dual-Flow Sieve Plate Wet Scrubber处理HCl气体，其吸收率达到了93.8%［6］；Bal M等使用Self-priming Venturi Scrubber处理HCl气体，吸收率达到了92.54%［7］，这两种方法虽然吸收效果一般，但运行成本较低。

气相旋流-液相射流净化器，通过独特的破碎雾化效果［8～10］，在对废气的吸收脱除方面表现出极佳的效果，同时其运行成本较传统的吸收塔来说有极大幅度的降低，占地面积也大幅减小［11～13］。同时还具有结构简单、无内部部件、废水适应面广、可自清洁及不怕堵塞和结垢等优点。为此，笔者以Ca（OH）2、Na2CO3、NaOH溶液和水为吸收剂对脱除HCl气体进行研究，主要包含HCl气体的处理量、吸收剂循环流量和气体中HCl的浓度对HCl气体吸收率的影响。同时探讨脱除HCl过程的传质机理，对气相旋流-液相射流净化器脱除HCl气体的效果和可行性进行研究，拓展该装置于此领域的应用。

1 实验部分

1.1 实验设备

整套实验设备由气相旋流-液相射流净化器、水箱、循环泵、风机、气液分离器与为进行实验所配套的液体、气体流量计及压强计等构成（图1）。

图1 实验设备示意图

气相旋流-液相射流净化器的结构如图2所示。筒体内径为16 mm，总体高度为77 mm，筒体的上半部设置小孔，用于水力喷射。设有孔的区域总长度为15 mm，孔径为0.8 mm，每两个孔的轴向间距为3 mm。吸收器侧壁均匀分布8列孔，每列6个孔，总计48个孔。筒体设有孔的区域外部夹套为液体分布区，主要用途是液体射流，确保将液体均匀地喷入气瓶，并具有足够的压力使之雾化。气体入口为长方形管，长9 mm，宽6 mm。装置的中间排气管内径5 mm，排气管的气体入口处于液体射流区下部。分离器底部为圆锥形连接圆管，总长12 mm，出口管内径6 mm。装置整体壁厚1 mm，材料为有机玻璃，以便于观察实验过程中的气液耦合过程和反应剧烈程度。

图2 气相旋流-液相射流净化器

1.2 实验原理

传统的湿法吸收HCl气体的方法通常是直接将含HCl的气体通入吸收剂中，但这严重制约了吸收剂作用的发挥。而气相旋流-液相射流净化器能够将事先准备好的针对待处理气体的吸收剂以喷射的形式（在设备中表现为细小液柱状或雾状）与运动轨迹为旋流状的含HCl的气体相接触。柱状或雾状的吸收剂液滴表层被以极高速度沿旋流运动的待吸收气体施以剪切方向的力，导致吸收剂液滴破碎重组，使吸收剂表层吸收能力始终最佳，达到最佳的吸收结果。

由于HCl气体易溶于水，其水溶液呈酸性，因此使用碱性溶液有利于脱除HCl气体。

当吸收剂使用强碱性的Ca（OH）2溶液时，将发生中和反应：Ca（OH）2＋2HCl→CaCl2＋H2O，反应得到的氯化钙易溶于水，为中性溶液。

当吸收剂使用弱碱性的Na2CO3溶液时，将发生复分解反应：Na2CO3＋2HCl→2NaCl＋H2CO3，H2CO3→H2O＋CO2↑，反应结果与吸收剂使用Ca（OH）2溶液时的相似，但反应时会有气泡（二氧化碳气体）产生。

当吸收剂使用强碱性的NaOH溶液时，将发生中和反应：NaOH＋HCl→NaCl＋H2O，反应得到的氯化钠易溶于水，为中性溶液。

当温度为20 ℃、标准压强下，每100 g水中约可溶解72 g的HCl，因此也可使用水作为HCl气体吸收剂。

1.3 HCl脱除实验流程

本次实验使用纯度为99.9%的HCl气体，通过控制HCl和空气的进气量并混合，得到不同浓度的HCl气体。使用浓度为1.5%的Ca（OH）2溶液、1.5%的Na2CO3溶液、1.5%的NaOH溶液和水作为吸收剂进行实验研究。

实验时，事先加入调配完成的吸收剂，并打开循环，使吸收剂的进入速率达到较大值，充满实验设备，并对液体出口进行液封，防止气体从排液口喷出。启动装置，分别从存有99.9%浓度的HCl气瓶与大气中抽取气体，根据流量计确定HCl浓度。等待约2 min，当混合气体趋稳后，适当降低吸收剂的进入速率，使其流量达到实验预定值。继续等待约3 min，吸收剂的喷射液柱重新达到稳定。吸收剂被循环使用，通过检测其pH值，确保吸收剂浓度处于预定值附近。每隔10 min测量一次HCl的吸收率和各个参数值，每组数据重复测量3次，取平均值作为实验结果，若有某个参数值偏差过大，则重新测量。每次实验变量的改变作为一个周期，每个周期均重复上述操作。出口处的气体中含HCl的浓度由氯化氢检测仪检测，测量范围为0～100ppm（1ppm=0.001‰）时，误差为±2ppm，测量范围为0～1 000ppm时，误差为±20ppm。氯化氢吸收率η定义为：

式中 cin——进口处HCl浓度；

cout——出口处HCl浓度。

2 实验结果与分析

2.1 吸收剂流量对吸收率的影响

图3显示了当室温为25 ℃，HCl浓度为1.0%，气体流量为25.0 L/min时，不同吸收剂流量对吸收率的影响。当吸收剂流量为30 L/h时，吸收率介于98.0%～99.9%之间，当吸收剂流量为60 L/h时，吸收率介于99.4%～99.9%之间，当吸收剂流量为90 L/h时，吸收率介于99.5%～99.9%之间。

图3 不同吸收剂流量对吸收率的影响

从图3可以看出，无论使用何种吸收剂，吸收剂流量越大，吸收效果越好。原因是吸收剂流量越大，气相旋流-液相射流净化器内液相喷射的速率越大，液滴的破碎重组现象变得更为剧烈，气、液两相能更好地互相耦合，增强了反应速率，同时也增加了吸收液与待处理气体的接触面积，提升了有效传质面积，达到了更好的吸收效果。

2.2 气体流量对吸收率的影响

图4显示了当室温为25 ℃，吸收剂流量为40 L/h，HCl浓度保持1.0%时，不同气体流量对吸收率的影响。当气体流量为15.0 L/min时，吸收率介于99.4%～99.9%之间，当气体流量为22.5 L/min时，吸收率介于99.1%～99.9%之间，当气体流量为30.0 L/min时，吸收率介于98.0%～99.9%之间。

图4 气体流量改变对吸收率的影响

从图4可以看出，随着气体流量的提升，吸收率总体呈现下降趋势。原因是随着气体流量的升高，更多的HCl气体进入气相旋流-液相射流净化器内，提高了设备内强旋混合气流场的强度，使得吸收液液滴的破碎重组现象变得更为剧烈，气、液两相能更好地互相耦合，但更多的待处理气体同时也为设备带来了更大的净化负荷，导致整体净化效果下降。与此同时，气液两相耦合时的气相分压得到了提高，在体积总传质系数降低的同时，总吸收速率同样得到了提高。

2.3 HCl浓度对吸收率的影响

图5显示了当室温为25 ℃，吸收剂流量为40 L/h，气体流量为25 L/min时，HCl浓度对吸收率的影响。当HCl浓度为0.8%时，吸收率介于99.0%～99.9%之间，当HCl浓度为1.4%时，吸收率介于98.50%～99.85%之间，当HCl浓度为2.0%时，吸收率介于95.0%～99.9%之间。