水污染控制工程 第12章 吹脫與汽提

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1、第十二章 吹脫與汽提法 吹脫和汽提均屬于污染物由液相向氣相轉(zhuǎn)移的分離方法，該種單元操作實際上是吸收操作的逆過程（解吸）。主要用于脫除廢水中濃度較高、沸點較低、冷凝后又易與氣相介質(zhì)分離的污染物。習慣上，將空氣（或CO2、N2）作為載氣來推動廢水中污染物向氣相轉(zhuǎn)移的過程，稱為吹脫。若采用水蒸汽作為載氣，則稱為汽提。 9-1 吹脫 一、吹脫原理 吹脫法的基本原理是氣-液相平衡和傳質(zhì)速度理論。根據(jù)亨利定律，在氣液兩相系統(tǒng)中，溶質(zhì)氣體在氣相中的分壓與該氣體在液相中的濃度成正比，且在某種穩(wěn)定的條件下形成氣-液相平衡。當將一定量空氣通入廢水中時，改變了因溶質(zhì)氣體溶解于水中所建立的氣液平衡關(guān)系，實質(zhì)

2、上降低了揮發(fā)性溶質(zhì)組分的氣相分壓，從而使這些揮發(fā)性溶質(zhì)不斷地由液相轉(zhuǎn)至氣相，然后予以收集或者擴散到大氣中去，從而得以從污水中除去這些揮發(fā)性污染物質(zhì)。 吹脫過程屬于傳質(zhì)過程，其推動力為廢水中某揮發(fā)組分的濃度與平衡狀態(tài)下該組分的氣相分壓對應的液相濃度之差。吹脫過程的傳質(zhì)速度取決于這一差值。對于給定物系而言，溫度和氣-液接觸面積對傳質(zhì)速度影響較大?？赏ㄟ^提高水溫、使用新鮮空氣或負壓操作、增大氣-液接觸面積和延長接觸時間等手段來增大傳質(zhì)速度。 在吹脫過程中，若使用空氣作為載氣，則除吹脫作用外，還存在還原性物質(zhì)的氧化作用（如H2S—S），但若使用N2、CO2 等惰性氣體，則不存在氧化過程。 二、吹

3、脫設(shè)備和裝置 吹脫設(shè)備一般有吹脫池和吹脫塔（內(nèi)裝填料或篩板）。前者占地面積較大，易造成大氣污染。后者占地面積小，吹脫效率高，便于回收氣體，不污染大氣。因此，工程上常采用吹脫塔對廢水進行吹脫處理。 1 吹脫池 吹脫池一般為矩形水池，廢水在池內(nèi)流動，與空氣充分接觸，廢水中的揮發(fā)性污染物便可不斷地向空氣中轉(zhuǎn)移。包括自然吹脫池和強化吹脫池兩種。 （1）自然吹脫池 依靠池內(nèi)表層液體與空氣進行自然接觸而脫除水中揮發(fā)性污染物的吹脫池稱為自然吹脫池，它適用于水中污染物極易揮發(fā)、水溫較高、風速較大、地段開闊且不至于污染居民區(qū)和工作區(qū)的場合。一般此類吹脫池也兼作儲水池，其吹脫效果可按下式計算：

4、 （12-1） 式中，C0、C——分別為水中揮發(fā)性污染物的初始濃度和經(jīng)過吹脫時間t (min)后的殘余濃度，mg/L； D——擴散系數(shù)； H——水層深度，mm； 由式9-1可知，要獲得較高的吹脫效率（較低的C），除延長吹脫(貯留)時間外，減小水層深度或增大池子表面積都是有效的措施。 （2）強化吹脫池 通常向池內(nèi)鼓入空氣或在池面以上安裝噴水管，以強化吹脫過程。 強化吹脫池的吹脫效果可由下式算出： （12-2） 式中，C0、C——分別為水中揮發(fā)性污染物的初始濃度和經(jīng)過吹脫時間t

5、(min)后的殘余濃度，g/L； ——為吹脫系數(shù)，可查閱相關(guān)設(shè)計手冊； A ——氣液接觸面積(m2)； V ——廢水體積(m3)。 若采用在池面以上安裝噴水管強化吹脫的辦法，則噴水池的噴頭安裝高度應位于水面以上1.2—1.5m處。當池子較小時，可建在建筑物頂上，此時的噴水高度可達2-3m。為防止風吹造成損失，可在四周設(shè)置擋水板。噴水強度采用12m3/m2h即可。 2 吹脫塔 吹脫塔的形式有填料塔、篩板塔等。 （1）填料塔 填料塔的結(jié)構(gòu)特征是在塔內(nèi)設(shè)置一定高度的填料層，廢水從塔頂向下噴淋，沿填料表面呈薄膜狀向塔底流動?？諝鈩t從塔底鼓入，由下而上與廢水連續(xù)逆

6、流接觸。廢水經(jīng)吹脫處理后從塔底經(jīng)水封管排出，自塔頂排出的氣體可進行回收或進一步處理，如圖12-1所示。 圖12-1 填料吹脫塔 填料塔常用的填料有紙質(zhì)蜂窩、木格板、拉希環(huán)（材質(zhì)有瓷、硬PVC、聚丙烯等）。另外，還可使用聚丙烯鮑爾環(huán)、聚丙烯多面空心球等。常用填料的技術(shù)特性見表12-1。 表9-1 常用填料技術(shù)特性 填料名稱 規(guī)格φ（mm） 填料個數(shù) （個/m3） 空隙 率ε 比表面積（m2/m3） 水力半徑 R=ε/S （mm） 當量直徑d=4R（mm） 密度（kg/m3） 拉希環(huán)(瓷) 拉希環(huán)(瓷) 鮑爾環(huán) 鮑爾環(huán) 鮑爾環(huán) 多面空心球多面空心

7、球 25253 25252.5 25 38 50 25 50 52300(排列) 49000(排列) 53500 —— —— 85000 11500 0.74 0.78 0.88 0.87 0.90 0.84 0.90 204 190 194 155 106.4 460 236 3.63 4.11 4.53 5.61 8.46 1.83 3.81 14.52 16.42 18.12 22.45 33.83 7.32 15.25 532 — 101 98 87.5 145 105 填料塔的

8、主要計算公式為傳質(zhì)速率公式。一般吹脫的氣體量G和傳質(zhì)平均推動力△C為已知條件，所需填料表面積F可按下式計算： （12-3） 式中，G——單位時間內(nèi)從水中吹脫的氣體量，G = Q（C0-C）10-3, kg/h； C0、C——分別為原水和出水中的揮發(fā)性污染物濃度，mg/L； Q——處理污水量，m3/h； △C——原水濃度C0與出水濃度C的對數(shù)濃度差，可按下式計算： K——吹脫系數(shù)，m/h，與揮發(fā)性污染物的性質(zhì)、溫度等因素有關(guān)?？赏ㄟ^查閱相關(guān)設(shè)計手冊進行計算。 填料塔的缺點是塔體大，

9、傳質(zhì)效率不如篩板塔，處理含高濃度懸浮物的廢水易發(fā)生堵塞現(xiàn)象。 （2）篩板塔 篩板塔通常由一個呈圓柱形的殼體和按一定間距水平設(shè)置的若干塊篩孔板所組成。廢水水平流過篩板，經(jīng)降液管流入下一層塔板?？諝庖怨呐莼驀娚浞绞酱┻^篩板上水層，因相互接觸傳質(zhì)而達到分離目的。篩板塔的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、成本低，傳質(zhì)效率高，塔體比填料塔小，堵塞可能性也小。其中穿流式篩板塔在泡沫狀態(tài)下工作，也稱泡沫塔，見圖9-2。 圖12-2 穿流式篩板塔 篩板上篩孔孔徑一般為6~8mm，篩板間距通常為200~300mm。水從上向下噴淋，穿過篩孔往下流動，空氣則穿過篩孔由下向上流動。當氣流的空塔速度（指空塔的橫斷

10、面面積除空氣流量）達到1.5~2.5m/s時，篩板上面的部分液體就被氣流吹成泡沫狀態(tài)，使氣液接觸面積顯著增加，強化了傳質(zhì)過程。 適宜的氣流空塔速度是保證穿流式篩板塔正常運行的關(guān)鍵。速度小不形成泡沫，速度過大（例如超過3m/s）則造成液泛。氣體穿過篩孔的流速以控制在7 ~ l 3m/s為宜，這樣使泡沫層高度和廢水穿過篩孔的泄漏率都比較合適。水在塔內(nèi)的噴淋密度可以控制在0.2~100m3/m2h范圍內(nèi)。篩板數(shù)目的計算很復雜，一般根據(jù)經(jīng)驗選定。 三、影響因素 在吹脫過程中，影響吹脫的因素較多，主要有以下幾點： （1）溫度。當壓力一定時，氣體在水中的溶解度隨溫度升高而降低，故適

11、當升溫有利于吹脫的進行。 （2）氣液比?？諝饬窟^小，氣液兩相接觸不夠；空氣量過大，既會造成液泛，破壞操作，又增加動力消耗。在工程設(shè)計中，通常按液泛時的極限氣液比的80％取值。 （3）pH。pH條件不同，廢水中揮發(fā)性物質(zhì)的存在狀態(tài)可能不同。例如廢水中游離H2S和HCN在硫化物和氰化物中的百分含量與pH值的關(guān)系見表12-2。 表9-2 不同pH條件下游離H2S和HCN的含量 pH值 5 6 7 8 9 10 游離H2S（%） 100 95 64 15 2 0 游離HCN（%） 99.7 99.3 93.3 59.1 12.2

12、只有游離H2S和HCN才能被吹脫，因此要在適宜的酸性條件下進行曝氣。 （4）油類及表面活性物質(zhì)。廢水中油類及表面活性物質(zhì)會阻礙揮發(fā)性污染物由液相向氣相擴散，而且油類可能阻塞填料，影響吹脫效果，故應在預處理中將油及表面活性物質(zhì)除去。 12-2 汽提 汽提的基本原理與吹脫法相同，只是使用的介質(zhì)不是空氣而是水蒸汽。該法主要利用廢水中污染物的沸點與水的沸點的差異，通過廢水與水蒸汽的直接接觸，廢水中的揮發(fā)性污染物則按一定比例擴散至氣相中去，從而實現(xiàn)污染物與水的分離。汽提法特別適用于脫除廢水中的揮發(fā)性溶解物質(zhì)，如揮發(fā)酚、丙烯腈、苯胺、甲醛、硫化氫、氨等。 一、基本原理 汽提過程屬于傳質(zhì)過程，當蒸

13、汽與廢水接觸時，揮發(fā)性污染物將由液相轉(zhuǎn)入到氣相。通常認為污染物在氣相中的濃度與污染物在廢水中的濃度的比值為一常數(shù)，遵循分配定律。即： （12-4） 式中： C1——平衡時，揮發(fā)性污染物在蒸汽冷凝液中的濃度，g/L； C2——平衡時，揮發(fā)性污染物在廢水中的濃度，g/L； K——分配系數(shù)，隨揮發(fā)性物質(zhì)的性質(zhì)和濃度而異。 由上式可見，當K＞1時，說明揮發(fā)性污染物比水易于揮發(fā)，表示廢水中的污染物適于采用汽提法分離。當K＜1時，說明揮發(fā)性污染物比水難于揮發(fā)，不適于用汽提法分離。總之，K值越大，揮發(fā)性越強，越適宜采用

14、汽提法。對于0.01~0.1N的低濃度溶液，分配系數(shù)可視為定值。某些溶質(zhì)的K值見表12-3。 表12-3 某些溶質(zhì)的K值 揮發(fā)酚 苯胺 游離氨 甲基苯胺 氨基甲烷 氨基乙烷 二乙基氨 氨苯甲基 2 5.5 13 19 11 20 45 8.3 汽提過程不僅是污染物在氣液兩相間轉(zhuǎn)移的過程，也是蒸汽的消耗過程。單位體積廢水所需的蒸汽量稱為汽水比，用V0表示。若在廢水進口處氣液兩相傳質(zhì)達平衡狀態(tài)，則可得： (12-5) 式中，Q為廢水量（m3）；C0、C為進出水中污染物濃度；V為冷凝液

15、體積； 則： （12-6） 在實際生產(chǎn)中，汽提都是在不平衡狀態(tài)下進行的，同時存在熱損失，故通常情況下，實際蒸汽用量是理論量的2~2.5倍。 二、汽提設(shè)備和裝置 汽提通常在封閉的塔內(nèi)進行。常用的汽提塔有填料塔和板式塔。板式塔除篩板塔外，還包括泡罩塔和浮閥塔，填料塔和篩板塔前面已作過介紹，泡罩塔和浮閥塔的工作原理與篩板塔大致相同。其構(gòu)造分別見圖12-3和圖12-4。 1—塔板；2—泡罩；3—蒸汽通道；4—降液管 圖12-3 泡罩塔的構(gòu)造示意圖 1—塔板；2—浮閥；3—降液管；4—塔

16、體 圖12-4 浮閥塔的構(gòu)造示意圖 泡罩塔的特點是操作穩(wěn)定、彈性大、塔板效率高、能避免臟污和阻塞；缺點是氣流阻力大、板面液流落差大、布氣不均勻、泡罩結(jié)構(gòu)復雜、造價高等。 浮閥塔是一種高效傳質(zhì)設(shè)備，由于生產(chǎn)能力高、構(gòu)造簡單、造價低、塔板效率高、操作彈性大等優(yōu)點而得到廣泛應用。 三、汽提法的應用 汽提法的最早應用實例是從含酚污水中回收揮發(fā)酚，其流程見圖12-5。 圖12-5汽提法脫酚裝置 圖12-5所示的是填料汽提塔，分為汽提段和再生段。汽提段用于脫酚，再生段則用于堿洗。廢水首先在預熱器中加熱至100℃后送入塔內(nèi)，從汽提塔頂噴淋下來，在汽提段與上升的循環(huán)蒸汽逆流相遇，在填料層中進行傳質(zhì)。經(jīng)汽提后，酚和蒸汽一起從塔頂排出，經(jīng)鼓風機送到再生段Ⅰ回收酚。脫酚蒸汽重新進入汽提段循環(huán)使用，而新鮮蒸汽用來補充設(shè)備的熱損失。當含酚蒸汽由再生段Ⅱ的底部打入時，先與淋下的循環(huán)堿液逆流相遇，之后與再生段Ⅰ流下的補充堿液相遇，經(jīng)化學吸收反應生成酚鈉鹽，可加以回收。此法操作簡單，經(jīng)濟合理，不引起二次污染，對高濃度含酚廢水的處理具有優(yōu)越性。 除含酚廢水外，含硫、氨以及含丙烯腈廢水等都可采用汽提法處理。有關(guān)實例在此不再贅述。 143