水污染控制工程 第12章 吹脱与汽提.doc

第十二章 吹脱与汽提法吹脱和汽提均属于污染物由液相向气相转移的分离方法，该种单元操作实际上是吸收操作的逆过程（解吸）。主要用于脱除废水中浓度较高、沸点较低、冷凝后又易与气相介质分离的污染物。习惯上，将空气（或CO2、N2）作为载气来推动废水中污染物向气相转移的过程，称为吹脱。若采用水蒸汽作为载气，则称为汽提。§9-1 吹脱一、吹脱原理吹脱法的基本原理是气-液相平衡和传质速度理论。根据亨利定律，在气液两相系统中，溶质气体在气相中的分压与该气体在液相中的浓度成正比，且在某种稳定的条件下形成气-液相平衡。当将一定量空气通入废水中时，改变了因溶质气体溶解于水中所建立的气液平衡关系，实质上降低了挥发性溶质组分的气相分压，从而使这些挥发性溶质不断地由液相转至气相，然后予以收集或者扩散到大气中去，从而得以从污水中除去这些挥发性污染物质。吹脱过程属于传质过程，其推动力为废水中某挥发组分的浓度与平衡状态下该组分的气相分压对应的液相浓度之差。吹脱过程的传质速度取决于这一差值。对于给定物系而言，温度和气-液接触面积对传质速度影响较大。可通过提高水温、使用新鲜空气或负压操作、增大气-液接触面积和延长接触时间等手段来增大传质速度。在吹脱过程中，若使用空气作为载气，则除吹脱作用外，还存在还原性物质的氧化作用（如H2SS），但若使用N2、CO2 等惰性气体，则不存在氧化过程。二、吹脱设备和装置吹脱设备一般有吹脱池和吹脱塔（内装填料或筛板）。前者占地面积较大，易造成大气污染。后者占地面积小，吹脱效率高，便于回收气体，不污染大气。因此，工程上常采用吹脱塔对废水进行吹脱处理。1 吹脱池吹脱池一般为矩形水池，废水在池内流动，与空气充分接触，废水中的挥发性污染物便可不断地向空气中转移。包括自然吹脱池和强化吹脱池两种。（1）自然吹脱池 依靠池内表层液体与空气进行自然接触而脱除水中挥发性污染物的吹脱池称为自然吹脱池，它适用于水中污染物极易挥发、水温较高、风速较大、地段开阔且不至于污染居民区和工作区的场合。一般此类吹脱池也兼作储水池，其吹脱效果可按下式计算： （12-1） 式中，C0、C分别为水中挥发性污染物的初始浓度和经过吹脱时间t (min)后的残余浓度，mg/L；D扩散系数；H水层深度，mm；由式9-1可知，要获得较高的吹脱效率（较低的C），除延长吹脱(贮留)时间外，减小水层深度或增大池子表面积都是有效的措施。（2）强化吹脱池通常向池内鼓入空气或在池面以上安装喷水管，以强化吹脱过程。强化吹脱池的吹脱效果可由下式算出： （12-2）式中，C0、C分别为水中挥发性污染物的初始浓度和经过吹脱时间t (min)后的残余浓度，g/L；为吹脱系数，可查阅相关设计手册； A 气液接触面积(m2)； V 废水体积(m3)。若采用在池面以上安装喷水管强化吹脱的办法，则喷水池的喷头安装高度应位于水面以上1.21.5m处。当池子较小时，可建在建筑物顶上，此时的喷水高度可达2-3m。为防止风吹造成损失，可在四周设置挡水板。喷水强度采用12m3/m2h即可。2 吹脱塔吹脱塔的形式有填料塔、筛板塔等。（1）填料塔填料塔的结构特征是在塔内设置一定高度的填料层，废水从塔顶向下喷淋，沿填料表面呈薄膜状向塔底流动。空气则从塔底鼓入，由下而上与废水连续逆流接触。废水经吹脱处理后从塔底经水封管排出，自塔顶排出的气体可进行回收或进一步处理，如图12-1所示。 图12-1 填料吹脱塔 填料塔常用的填料有纸质蜂窝、木格板、拉希环（材质有瓷、硬PVC、聚丙烯等）。另外，还可使用聚丙烯鲍尔环、聚丙烯多面空心球等。常用填料的技术特性见表12-1。表9-1 常用填料技术特性填料名称规格（mm）填料个数（个/m3）空隙率比表面积（m2/m3）水力半径R=/S （mm）当量直径d=4R（mm）密度（kg/m3）拉希环(瓷)拉希环(瓷) 鲍尔环鲍尔环鲍尔环多面空心球多面空心球25×25×325×25×2.5253850255052300(排列)49000(排列)5350085000115000.740.780.880.870.900.840.90204190194155106.44602363.634.114.535.618.461.833.8114.5216.4218.1222.4533.837.3215.255321019887.5145105 填料塔的主要计算公式为传质速率公式。一般吹脱的气体量G和传质平均推动力C为已知条件，所需填料表面积F可按下式计算： （12-3）式中，G单位时间内从水中吹脱的气体量，G = Q（C0-C）10-3, kg/h； C0、C分别为原水和出水中的挥发性污染物浓度，mg/L； Q处理污水量，m3/h；C原水浓度C0与出水浓度C的对数浓度差，可按下式计算：K吹脱系数，m/h，与挥发性污染物的性质、温度等因素有关。可通过查阅相关设计手册进行计算。填料塔的缺点是塔体大，传质效率不如筛板塔，处理含高浓度悬浮物的废水易发生堵塞现象。（2）筛板塔 筛板塔通常由一个呈圆柱形的壳体和按一定间距水平设置的若干块筛孔板所组成。废水水平流过筛板，经降液管流入下一层塔板。空气以鼓泡或喷射方式穿过筛板上水层，因相互接触传质而达到分离目的。筛板塔的优点是结构简单、制造方便、成本低，传质效率高，塔体比填料塔小，堵塞可能性也小。其中穿流式筛板塔在泡沫状态下工作，也称泡沫塔，见图9-2。图12-2 穿流式筛板塔筛板上筛孔孔径一般为68mm，筛板间距通常为200300mm。水从上向下喷淋，穿过筛孔往下流动，空气则穿过筛孔由下向上流动。当气流的空塔速度（指空塔的横断面面积除空气流量）达到1.52.5m/s时，筛板上面的部分液体就被气流吹成泡沫状态，使气液接触面积显著增加，强化了传质过程。适宜的气流空塔速度是保证穿流式筛板塔正常运行的关键。速度小不形成泡沫，速度过大（例如超过3m/s）则造成液泛。气体穿过筛孔的流速以控制在7 l 3m/s为宜，这样使泡沫层高度和废水穿过筛孔的泄漏率都比较合适。水在塔内的喷淋密度可以控制在0.2100m3/m2h范围内。筛板数目的计算很复杂，一般根据经验选定。 三、影响因素在吹脱过程中，影响吹脱的因素较多，主要有以下几点： （1）温度。当压力一定时，气体在水中的溶解度随温度升高而降低，故适当升温有利于吹脱的进行。 （2）气液比。空气量过小，气液两相接触不够；空气量过大，既会造成液泛，破坏操作，又增加动力消耗。在工程设计中，通常按液泛时的极限气液比的80取值。（3）pH。pH条件不同，废水中挥发性物质的存在状态可能不同。例如废水中游离H2S和HCN在硫化物和氰化物中的百分含量与pH值的关系见表12-2。表9-2 不同pH条件下游离H2S和HCN的含量pH值5678910游离H2S（%）10095641520游离HCN（%）99.799.393.359.112.2只有游离H2S和HCN才能被吹脱，因此要在适宜的酸性条件下进行曝气。（4）油类及表面活性物质。废水中油类及表面活性物质会阻碍挥发性污染物由液相向气相扩散，而且油类可能阻塞填料，影响吹脱效果，故应在预处理中将油及表面活性物质除去。§12-2 汽提汽提的基本原理与吹脱法相同，只是使用的介质不是空气而是水蒸汽。该法主要利用废水中污染物的沸点与水的沸点的差异，通过废水与水蒸汽的直接接触，废水中的挥发性污染物则按一定比例扩散至气相中去，从而实现污染物与水的分离。汽提法特别适用于脱除废水中的挥发性溶解物质，如挥发酚、丙烯腈、苯胺、甲醛、硫化氢、氨等。一、基本原理汽提过程属于传质过程，当蒸汽与废水接触时，挥发性污染物将由液相转入到气相。通常认为污染物在气相中的浓度与污染物在废水中的浓度的比值为一常数，遵循分配定律。即： （12-4）式中： C1平衡时，挥发性污染物在蒸汽冷凝液中的浓度，g/L；C2平衡时，挥发性污染物在废水中的浓度，g/L；K分配系数，随挥发性物质的性质和浓度而异。由上式可见，当K1时，说明挥发性污染物比水易于挥发，表示废水中的污染物适于采用汽提法分离。当K1时，说明挥发性污染物比水难于挥发，不适于用汽提法分离。总之，K值越大，挥发性越强，越适宜采用汽提法。对于0.010.1N的低浓度溶液，分配系数可视为定值。某些溶质的K值见表12-3。表12-3 某些溶质的K值挥发酚苯胺游离氨甲基苯胺氨基甲烷氨基乙烷二乙基氨氨苯甲基25.513191120458.3汽提过程不仅是污染物在气液两相间转移的过程，也是蒸汽的消耗过程。单位体积废水所需的蒸汽量称为汽水比，用V0表示。若在废水进口处气液两相传质达平衡状态，则可得： (12-5)式中，Q为废水量（m3）；C0、C为进出水中污染物浓度；V为冷凝液体积；则： （12-6）在实际生产中，汽提都是在不平衡状态下进行的，同时存在热损失，故通常情况下，实际蒸汽用量是理论量的22.5倍。 二、汽提设备和装置汽提通常在封闭的塔内进行。常用的汽提塔有填料塔和板式塔。板式塔除筛板塔外，还包括泡罩塔和浮阀塔，填料塔和筛板塔前面已作过介绍，泡罩塔和浮阀塔的工作原理与筛板塔大致相同。其构造分别见图12-3和图12-4。1塔板；2泡罩；3蒸汽通道；4降液管图12-3 泡罩塔的构造示意图1塔板；2浮阀；3降液管；4塔体图12-4 浮阀塔的构造示意图泡罩塔的特点是操作稳定、弹性大、塔板效率高、能避免脏污和阻塞；缺点是气流阻力大、板面液流落差大、布气不均匀、泡罩结构复杂、造价高等。浮阀塔是一种高效传质设备，由于生产能力高、构造简单、造价低、塔板效率高、操作弹性大等优点而得到广泛应用。 三、汽提法的应用汽提法的最早应用实例是从含酚污水中回收挥发酚，其流程见图12-5。图12-5汽提法脱酚装置图12-5所示的是填料汽提塔，分为汽提段和再生段。汽提段用于脱酚，再生段则用于碱洗。废水首先在预热器中加热至100后送入塔内，从汽提塔顶喷淋下来，在汽提段与上升的循环蒸汽逆流相遇，在填料层中进行传质。经汽提后，酚和蒸汽一起从塔顶排出，经鼓风机送到再生段回收酚。脱酚蒸汽重新进入汽提段循环使用，而新鲜蒸汽用来补充设备的热损失。当含酚蒸汽由再生段的底部打入时，先与淋下的循环碱液逆流相遇，之后与再生段流下的补充碱液相遇，经化学吸收反应生成酚钠盐，可加以回收。此法操作简单，经济合理，不引起二次污染，对高浓度含酚废水的处理具有优越性。 除含酚废水外，含硫、氨以及含丙烯腈废水等都可采用汽提法处理。有关实例在此不再赘述。