發(fā)泡填料塔中的含硫污水汽提的實驗研究

發(fā)泡填料塔中的含硫污水汽提的實驗研究摘要：本文對工業(yè)化生產中合成氨脫硫循環(huán)洗滌過程中在某一特定點所產生的發(fā)泡問題進行了實驗研究。通過在小型模擬實驗中運用發(fā)泡系數計算，從而找出了解決發(fā)泡問題的方案。據調查顯示，高純度的酸性溶液并不會在某一特定點產生發(fā)泡行為。但是雜質的存在對發(fā)泡特性有著重要影響，尤其是苯酚與其衍生物甲酚的影響最為突出。我們在實驗中測得了較高的壓降與較低的發(fā)泡淹沒點數據，從而對泡沫形成的關鍵點進行了確定，并對塔內結構設計提出了一些建議。關鍵詞：發(fā)泡填料塔；馬蘭戈尼效應；GC-MS；表面張力1引言發(fā)泡問題在工業(yè)化生產中是一個極為嚴重的問題，它不僅降低了生產效率，還影響了分離效率，更嚴重的是泡沫一旦溢出將直接導致產品受到污染。本次實驗的初衷，是對工業(yè)生產中合成氨脫硫循環(huán)洗滌過程進行研究。在穩(wěn)態(tài)條件下，隨著塔內壓降的上升沒有發(fā)現導致發(fā)泡問題的明顯原因?？赡苡捎谒嵝匀芤褐械奶冀Y構組成與碳化條件的不同，導致在類似的特定情況下沒有發(fā)生發(fā)泡現象。但經碳化后所形成的雜質易引起不明原因的發(fā)泡特性。為了確保工程師所收集的酸性溶液中雜質的泛點數據的準確性，應重新設計脫洗工藝。經過對相關文獻及學術報道的查閱，未能找到對脫洗工藝中所產生的發(fā)泡問題的研究報道，故此次實驗具有一定的研究價值。同時因為實驗過程中包含了酸性有毒物質和復雜的設備結構，使得此次實驗在學術研究上具有很高的參考價值。下文主要對塔內因不同的壓力與機理所導致的發(fā)泡問題，及泡沫的穩(wěn)定性進行概述。同時，運用小型模擬實驗對確定組分的酸性溶液進行實驗，測試其在一系列參數下的發(fā)泡特性。通過實驗數據，對合成氨過程中因雜質所引起的發(fā)泡特性進行粗略估計，制定解決方案。本次實驗對重新設計后的填料塔進行了數據分析，獲得了壓降與泛點數據。對塔內實驗數據的通用性進行了測試評價。通過運用拍照和攝影技術對塔內流體流動特性進行了跟蹤模擬。在了解泡沫形成的臨界點后，對塔內結構進行了優(yōu)化設計與改造。2泡沫理論P>0,74 多面體泡沫0>2?<0h7^∣ 庫格爾紹堀氣律玷散圖2.1不同氣含量下的發(fā)泡特性不同類型的泡沫，形態(tài)是有區(qū)別的。如圖2.1所示，庫格爾紹姆層的泡沫是直接位于液體表面的，液體上部是由不同形態(tài)且互不接觸的氣泡組成。氣泡由于液體表面張力的特性故成球形。隨著時間的推移，氣泡高度不斷上升且液體被排開，導致氣泡表面液體膜減薄，從庫格爾紹姆層進入聚散層，氣泡逐漸破裂合并。如圖2.2所示，在聚散層中，三個氣泡壁接觸的角度為120°。大多數氣泡中，具有顯著持久力的泡沫體是氣體、液體和發(fā)泡劑。其中發(fā)泡劑可以包含下列物質中的一個或多個：表面活性劑、大分子顆?；蛐》肿宇w粒。發(fā)泡劑的必要性在于他能降低液體表面張力，降低擴散時所消耗的能量，從而增加泡沫的表面積。P」叫圖2.2多面體泡沫中的普拉特奧邊界和泡沫層在眾多文獻中均有一個共識：純溶液不涉及泡沫問題。如果純溶液表面仍存在單一氣泡，則視為樣品被污染。由于能影響發(fā)泡特性的單分子膜的表面濃度為10-10mol/cm2,所以待測發(fā)泡特性的清潔表面需用特殊方法清洗。泡沫的穩(wěn)定性可分為兩種：液體膜變薄和膜破裂聚合。由于泡沫的熱力學不穩(wěn)定，不斷聚合的泡沫總表面面積導致表面張力降低；長期穩(wěn)定指泡沫的動力學穩(wěn)定。隨著數量級的不同，泡沫的壽命短則數秒長則數年。如表2.1所示，基斯特勒得出結論，由于氣體與環(huán)繞的泡沫所形成的特殊機理，使泡沫能在力的作用下保持穩(wěn)定，接下來，我們將對泡沫形成中最重要的力與機理進行說明。表2.1泡沫中的力和機理液膜上的力 使泡沫穩(wěn)定的機理 重力：薄層上的液體消耗 馬蘭戈尼效應：表面流動從非變薄（低表面張力）的表面到變薄的（高表面張力）表面，抵消排水 表面張力：泡沫的聚結和消失 馬蘭戈尼效應的傳質誘導：因傳質使表面張力增加，可以發(fā)生馬蘭戈尼效應 毛細作用力：趨于穩(wěn)定的泡沫表面 羅斯式發(fā)泡：弱溶劑溶質的相互作用可以引起表面活性,導致起泡度 粘度：液膜反向引流的液體 凝膠狀的表層：這層膜能固定薄膜內的液體；由化學或分子間相互作用形成 表面張力液體、液滴與氣體、氣泡由于受到表面張力的影響，總是以最小化的球形形態(tài)，自由的進行表面接觸。表面張力γ°所引起的橫跨彎曲表面壓力差，使得凹面?zhèn)龋ɡ锩娴臍馀荩┚哂懈叩膲毫?。另由于氣泡內的壓力是均勻的，造成普拉特奧邊界與薄層的不同半徑，導致液體內壓力不同（?P=2y°/R）。因此毛細管流（拉普拉斯流量）使普拉特奧邊界變薄與薄層破損，導致泡沫破裂。恢復力可以由馬蘭戈尼效應表示。馬蘭戈尼效應馬蘭戈尼于1871年無意將一塊含有油的海綿放入湖中，發(fā)現了表面活性劑不僅具有地表面張力液體的傳播特性，還具有高表面張力液體的特性，容易集中在液體表面。當液體從膜中流失，此時膜減薄，從而造成表面積的增加。液體擴散所增加的面積是從聚集著的液體中提供，這就是表面活性劑濃度。當表面活性劑的濃度過低時，表面張力隨之升高。馬蘭戈尼效應所引出的地表面張力向高表面張力區(qū)域流動的特性，對研究排水工程系統(tǒng)與電力恢復系統(tǒng)有著重要影響。馬蘭戈尼效應中指出傳質誘導不需要表面活性成分。馬蘭戈尼在這里所指的應力表示表面張力梯度，混合溶液中因表面溫度所引起的應力變化與穩(wěn)定或不穩(wěn)定薄膜應力。在蒸餾系統(tǒng)中，薄膜應力強化了傳質效果，導致了不易揮發(fā)組分的濃度增大。如果不易揮發(fā)的組分具有較高的表面張力，則薄膜將從普拉特奧邊界逐漸恢復。馬蘭戈尼效應所引起的泡沫穩(wěn)定問題，往往會在塔內導致嚴重的泡沫問題，最明顯的案例就是甲醇與水的混合物。馬蘭戈尼效應對傳質過程也具有重要影響。在液體中，隨著梯度的增加，對流效應也隨之增加，從而提高了對流傳輸速率，下面將對這一現象進行說明。發(fā)泡塔根據塔設備的發(fā)展歷史，泡沫的大量出現主要有以下幾個常見問題：(1)浸水過早和夾帶過量發(fā)泡劑的條件惡化，表現為：(a)壓力差突然增加；(b)壓力差超過板間距的50%或超過8-10mbar∕m;(C)壓差不穩(wěn)定所造成；(2)無規(guī)律的壓力降或超過泛點百分點；(3)初始穩(wěn)態(tài)條件下無原因的泛點現象；(4)泛點對溫度的敏感問題；(5)摻雜消泡劑后導致泡沫吞吐量增加；(6)在更高階段塔內所發(fā)生的異常溫度曲線(如胺吸收劑)?；固乩請蟾嬷械谒恼滤岬降囊粋€非常重要的事實是，在小型控制型塔中泡沫可以是穩(wěn)定的，即為蜂窩泡沫。當遇到這樣類型的發(fā)泡問題時，工業(yè)生產上的傳熱、傳質填料塔是一個技術難點。能導致發(fā)泡現象的原因有很多，有些甚至是意想不到的?；固乩盏难芯恐赋隽艘恍┛赡芤鸢l(fā)泡現象的化學物質：高分子量的有機溶劑、抗腐蝕劑、類似過濾反應產物的溶劑設備或材料、細小懸浮顆粒物、油或油脂、甚至是從塑料包裝中滲出的添加劑。3泡沫穩(wěn)定性評價的實驗研究在通過小型可操作的測試單元對發(fā)泡效應進行評定前，需在工廠中完成測試實驗，得到一組塔中發(fā)泡系數的粗略統(tǒng)計。文獻中所提到的多種測試方法均已取得了成功與實際應用。在具備壓力、溫度與成分的工作狀態(tài)下取得了顯著的測試成效。但這樣的操作條件始終是對實際工況的復制與模擬。文獻中所提到的兩種不同類型的測試方法，分別為動態(tài)法與靜態(tài)法。動態(tài)法即泡沫在生成與破裂之間達到了平衡點。靜態(tài)法即泡沫一旦形成后便開始了聚合，且不再有機械能對其做功。靜態(tài)法適用于具有較高穩(wěn)定性的泡沫，而動態(tài)法則適用于發(fā)泡度較低的泡沫。通過一個簡單的瓶子抖動測試。我們發(fā)現當瓶子被封閉后開始計時，泡沫從一定高度崩潰所花費的時間大約穩(wěn)定在五秒左右。3.1實驗步驟通過“瓶子的抖動測試”將對該問題的解決方案有一個初步的了解。當觀察到10秒范圍內的短時穩(wěn)定時，則表示該溶液具有較小的發(fā)泡特性。由于AS循環(huán)洗滌系統(tǒng)中的化學低發(fā)泡特性，動態(tài)法需更詳細的考慮流體流動機理以模擬真正的填料塔。當遇到此類問題時，可以運用比克爾曼所提出的充氣方法，測試得到氮氣流經燒結玻璃料時產生的小氣泡在液體中引起的泡沫高度，如圖3.1。在這項測試中，100毫升的溶液填充到玻璃圓通內的直徑為4.5厘米，且保持在一個恒定溫度條件下。隨著液體的蒸發(fā),混合物的組成將在實驗過程中產生變化。在高溫條件下，高波動性的反應物（例如3-甲基毗咤）噴射時間短，需定期制定新的解決方法。圖3.1起泡度評估的實驗裝置兩種不同的高度測量方法是：氣體從底部分散到頂部多面體泡沫層為整體高度ht；氣體從庫格爾紹姆層分散到頂部多面體泡沫層的高度為hf,如圖2.1所示。然而在這里存在一個認識誤區(qū)，即氣體和液體邊界與氣體和泡沫之間分散邊界無法明確分辨。除此之外，由于泡沫表面的不平坦性，將導致無法準確確定泡沫體的高度。通過測量泡沫高度能夠確定泡沫體積V,結合氮的體積流量，運用起泡性系數Σ計算公式:V-v-11(3.1)v∏_V_hE=U=G系數∑具有時間維度，由于泡沫在其壽命內以平均速度上升或破裂，所以可以用來表示噴射氣體的停留時間。3.2進料的物理和化學性質通過德國南部TUV集團的實驗室對環(huán)境的測定，能夠對進料混合物的組成進行分析。表3.1所顯示出的是環(huán)境濃度以及運用GC-MS篩選出的結果。表3.1進料組成化學分析 GC-MS篩選（雜質） 成分 C[g/L]成分 C[g/L]硫化氫3.00苯酚 1.210二氧化碳10.502-甲基吡啶+3-甲基吡啶 n.da氨 14.003-甲酚（間甲酚） 0.280氫氰酸0.04 4-甲酚（對甲酚） 0.190鈉(Na+)3.00二甲基苯酚 0.060an.d.：未檢出的（＜1mg/L）。酚和吡啶（以下稱為雜質）的化學結構同時具備疏水性和親水性基團，從而使他們具備很高的表面活性，是典型的表面活性劑。酚在高PH值的環(huán)境下容易發(fā)生解離，如發(fā)生在低酸度層（PH值8-10）,將生成離子化的酚鹽，成為了陰離子表面活性劑，增加了表面活性劑的特性。由于H2S、CO2、NH3、HCN和NaOH的鹽,并不會出現預期的表面活性，但雜質（表3.1右側）卻有可能引起發(fā)泡效應。通過實驗對進料和產品的物理性能進行了測定。運用落球粘度計對粘度進行測定，運用威廉米法對表面張力進行了測定，運用氣體比重計（表3.2）測定