发泡填料塔中的含硫污水汽提的实验研究
摘要：本文对工业化生产中合成氨脱硫循环洗涤过程中在某一特定点所产生的发泡问题进行了实验研究。通过在小型模拟实验中运用发泡系数计算，从而找出了解决发泡问题的方案。据调查显示，高纯度的酸性溶液并不会在某一特定点产生发泡行为。但是杂质的存在对发泡特性有着重要影响，尤其是苯酚与其衍生物甲酚的影响最为突出。我们在实验中测得了较高的压降与较低的发泡淹没点数据，从而对泡沫形成的关键点进行了确定，并对塔内结构设计提出了一些建议。
关键词：发泡填料塔；马兰戈尼效应；GC-MS；表面张力
1引言
发泡问题在工业化生产中是一个极为严重的问题，它不仅降低了生产效率，还影响了分离效率，更严重的是泡沫一旦溢出将直接导致产品受到污染。
本次实验的初衷，是对工业生产中合成氨脱硫循环洗涤过程进行研究。在稳态条件下，随着塔内压降的上升没有发现导致发泡问题的明显原因。可能由于酸性溶液中的碳结构组成与碳化条件的不同，导致在类似的特定情况下没有发生发泡现象。但经碳化后所形成的杂质易引起不明原因的发泡特性。为了确保工程师所收集的酸性溶液中杂质的泛点数据的准确性，应重新设计脱洗工艺。经过对相关文献及学术报道的查阅，未能找到对脱洗工艺中所产生的发泡问题的研究报道，故此次实验具有一定的研究价值。同时因为实验过程中包含了酸性有毒物质和复杂的设备结构，使得此次实验在学术研究上具有很高的参考价值。
下文主要对塔内因不同的压力与机理所导致的发泡问题，及泡沫的稳定性进行概述。同时，运用小型模拟实验对确定组分的酸性溶液进行实验，测试其在一系列参数下的发泡特性。通过实验数据，对合成氨过程中因杂质所引起的发泡特性进行粗略估计，制定解决方案。
本次实验对重新设计后的填料塔进行了数据分析，获得了压降与泛点数据。对塔内实验数据的通用性进行了测试评价。通过运用拍照和摄影技术对塔内流体流动特性进行了跟踪模拟。在了解泡沫形成的临界点后，对塔内结构进行了优化设计与改造。
2泡沫理论
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图2.1不同气含量下的发泡特性
不同类型的泡沫，形态是有区别的。如图2.1所示，库格尔绍姆层的泡沫是直接位于液体表面的，液体上部是由不同形态且互不接触的气泡组成。气泡由于液体表面张力的特性故成球形。随着时间的推移，气泡高度不断上升且液体被排开，导致气泡表面液体膜减薄，从库格尔绍姆层进入聚散层，气泡逐渐破裂合并。如图2.2所示，在聚散层中，三个气泡壁接触的角度为120°。大多数气泡中，具有显著持久力的泡沫体是气体、液体和发泡剂。其中发泡剂可以包含下列物质中的一个或多个：表面活性剂、大分子颗粒或小分子颗粒。发泡剂的必要性在于他能降低液体表面张力，降低扩散时所消耗的能量，从而增加泡沫的表面积。
图2.2 多面体泡沫中的普拉特奥边界和泡沫层
在众多文献中均有一个共识：纯溶液不涉及泡沫问题。如果纯溶液表面仍存在单一气泡，则视为样品被污染。由于能影响发泡特性的单分子膜的表面浓度为10-10mol/cm2，所以待测发泡特性的清洁表面需用特殊方法清洗。泡沫的稳定性可分为两种：液体膜变薄和膜破裂聚合。由于泡沫的热力学不稳定，不断聚合的泡沫总表面面积导致表面张力降低；长期稳定指泡沫的动力学稳定。随着数量级的不同，泡沫的寿命短则数秒长则数年。
如表2.1所示，基斯特勒得出结论，由于气体与环绕的泡沫所形成的特殊机理，使泡沫能在力的作用下保持稳定，接下来，我们将对泡沫形成中最重要的力与机理进行说明。
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表2.1泡沫中的力和机理
液膜上的力 重力：薄层上的液体消耗 表面张力：泡沫的聚结和消失 毛细作用力：趋于稳定的泡沫表面 粘度：液膜反向引流的液体
使泡沫稳定的机理
马兰戈尼效应：表面流动从非变薄（低表面张力）的表面到变薄的（高表面张力）表面，抵消排水 马兰戈尼效应的传质诱导：因传质使表面张力增
加，可以发生马兰戈尼效应
罗斯式发泡：弱溶剂溶质的相互作用可以引起表面
活性,导致起泡度
凝胶状的表层: 这层膜能固定薄膜内的液体；由化
学或分子间相互作用形成
2.1表面张力
液体、液滴与气体、气泡由于受到表面张力的影响，总是以最小化的球形形态，自由的进行表面接触。表面张力γ°所引起的横跨弯曲表面压力差，使得凹面侧(里面的气泡)具有跟高的压力。另由于气泡内的压力是均匀的，造成普拉特奥边界与薄层的不同半径，导致液体内压力不同(?P=2γ°/R)。因此毛细管流(拉普拉斯流量)使普拉特奥边界变薄与薄层破损，导致泡沫破裂。恢复力可以由马兰戈尼效应表示。
2.2马兰戈尼效应
马兰戈尼于1871年无意将一块含有油的海绵放入湖中，发现了表面活性剂不仅具有地表面张力液体的传播特性，还具有高表面张力液体的特性，容易集中在液体表面。当液体从膜中流失，此时膜减薄，从而造成表面积的增加。液体扩散所增加的面积是从聚集着的液体中提供，这就是表面活性剂浓度。当表面活性剂的浓度过低时，表面张力随之升高。马兰戈尼效应所引出的地表面张力向高表面张力区域流动的特性，对研究排水工程系统与电力恢复系统有着重要影响。
马兰戈尼效应中指出传质诱导不需要表面活性成分。马兰戈尼在这里所指的应力表示表面张力梯度，混合溶液中因表面温度所引起的应力变化与稳定或不稳定薄膜应力。在蒸馏系统中，薄膜应力强化了传质效果，导致了不易挥发组分的浓度增大。如果不易挥发的组分具有较高的表面张力，则薄膜将从普拉特奥边界逐渐恢复。马兰戈尼效应所引起的泡沫稳定问题，往往会在塔内导致严重的泡沫问题，最明显的案例就是甲醇与水的混合物。
马兰戈尼效应对传质过程也具有重要影响。在液体中，随着梯度的增加，对流效应也随之增加，从而提高了对流传输速率，下面将对这一现象进行说明。
2.3发泡塔
根据塔设备的发展历史，泡沫的大量出现主要有以下几个常见问题：(1)浸水过早和夹带过量发泡剂的条件恶化，表现为：(a)压力差突然增加；(b)压力差超过板间距的50%
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或超过8-10mbar/m；(c)压差不稳定所造成；(2)无规律的压力降或超过泛点百分点；(3)初始稳态条件下无原因的泛点现象；(4)泛点对温度的敏感问题；(5)掺杂消泡剂后导致泡沫吞吐量增加；(6)在更高阶段塔内所发生的异常温度曲线(如胺吸收剂)。
基斯特勒报告中第四章所提到的一个非常重要的事实是，在小型控制型塔中泡沫可以是稳定的，即为蜂窝泡沫。当遇到这样类型的发泡问题时，工业生产上的传热、传质填料塔是一个技术难点。
能导致发泡现象的原因有很多，有些甚至是意想不到的。基斯特勒的研究指出了一些可能引起发泡现象的化学物质：高分子量的有机溶剂、抗腐蚀剂、类似过滤反应产物的溶剂设备或材料、细小悬浮颗粒物、油或油脂、甚至是从塑料包装中渗出的添加剂。
3泡沫稳定性评价的实验研究
在通过小型可操作的测试单元对发泡效应进行评定前，需在工厂中完成测试实验，得到一组塔中发泡系数的粗略统计。文献中所提到的多种测试方法均已取得了成功与实际应用。在具备压力、温度与成分的工作状态下取得了显著的测试成效。但这样的操作条件始终是对实际工况的复制与模拟。
文献中所提到的两种不同类型的测试方法，分别为动态法与静态法。动态法即泡沫在生成与破裂之间达到了平衡点。静态法即泡沫一旦形成后便开始了聚合，且不再有机械能对其做功。静态法适用于具有较高稳定性的泡沫，而动态法则适用于发泡度较低的泡沫。
通过一个简单的瓶子抖动测试。我们发现当瓶子被封闭后开始计时，泡沫从一定高度崩溃所花费的时间大约稳定在五秒左右。
3.1实验步骤
通过“瓶子的抖动测试”将对该问题的解决方案有一个初步的了解。当观察到10秒范围内的短时稳定时，则表示该溶液具有较小的发泡特性。由于AS循环洗涤系统中的化学低发泡特性，动态法需更详细的考虑流体流动机理以模拟真正的填料塔。当遇到此类问题时，可以运用比克尔曼所提出的充气方法，测试得到氮气流经烧结玻璃料时产生的小气泡在液体中引起的泡沫高度，如图3.1。在这项测试中，100毫升的溶液填充到玻璃圆通内的直径为4.5厘米，且保持在一个恒定温度条件下。随着液体的蒸发,混合物的组成将在实验过程中产生变化。在高温条件下，高波动性的反应物(例如3-甲基吡啶)喷射时间短，需定期制定新的解决方法。
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图3.1起泡度评估的实验装置
两种不同的高度测量方法是：气体从底部分散到顶部多面体泡沫层为整体高度ht；气体从库格尔绍姆层分散到顶部多面体泡沫层的高度为hf，如图2.1所示。然而在这里存在一个认识误区，即气体和液体边界与气体和泡沫之间分散边界无法明确分辨。除此之外，由于泡沫表面的不平坦性，将导致无法准确确定泡沫体的高度。
通过测量泡沫高度能够确定泡沫体积V，结合氮的体积流量，运用起泡性系数∑计算公式：
示喷射气体的停留时间。
（3.1）
系数∑具有时间维度，由于泡沫在其寿命内以平均速度上升或破裂，所以可以用来表
3.2进料的物理和化学性质
通过德国南部TUV集团的实验室对环境的测定，能够对进料混合物的组成进行分析。表3.1所显示出的是环境浓度以及运用GC-MS筛选出的结果。
表3.1进料组成
化学分析
成分 硫化氢 二氧化碳 氨 氢氰酸 钠(Na+)
c [g/L] 3.00 10.50 14.00 0.04 3.00
a
GC-MS筛选(杂质)
成分 苯酚
2-甲基吡啶+3-甲基吡
啶
3-甲酚(间甲酚) 4-甲酚(对甲酚) 二甲基苯酚
c [g/L] 1.210 n.da 0.280 0.190 0.060
n.d.： 未检出的 (<1 mg/L)。