倪凱文, 荊國(guó)華, 吳孝敏, 陳子逸

填料塔同時(shí)吸收高濃度SO2和NO2生成亞硝酰硫酸的研究

倪凱文, 荊國(guó)華, 吳孝敏, 陳子逸

(華僑大學(xué) 化工學(xué)院, 福建 廈門(mén) 361021)

為了解決染料行業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中磺化和硝化產(chǎn)生的高濃度硫氧化物(主要為SO2)和氮氧化物(主要為NO2)廢氣所造成的大氣污染，采用填料塔反應(yīng)器同時(shí)吸收SO2和NO2，并生成亞硝酰硫酸的工藝，并對(duì)優(yōu)化的工藝條件進(jìn)行深入的分析。主要考察了吸收液的構(gòu)成(濃硫酸和濃硝酸)與濃度、氣體流速、污染物濃度和吸收時(shí)間等參數(shù)對(duì)吸收效率和體積傳質(zhì)系數(shù)G的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，SO2與NO2的G隨著吸收液中硝酸體積分?jǐn)?shù)的變化呈拋物線(xiàn)、隨氣液流速的增大而降低、隨污染物濃度變化而變化、隨填料物的接觸面積的變小而變大。在實(shí)驗(yàn)中，采用填料塔同時(shí)吸收SO2(質(zhì)量濃度為11 779 mg×m-3)和NO2(質(zhì)量濃度為2 822 mg×m-3)的最佳工藝條件：氣體流速為1.32 m×s-1，液體流速為0.55 m×s-1，硝酸體積分?jǐn)?shù)為20%的濃硫酸和濃硝酸混合吸收液。

NO2；SO2；亞硝酰硫酸；填料塔；傳質(zhì)系數(shù)

1 前 言

工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中廢氣的大量排放導(dǎo)致大氣中的污染物增加，其中硫氧化物(SO)和氮氧化物(NO)作為主要排放物，嚴(yán)重影響人們的健康和我們賴(lài)以生存的環(huán)境[1-2]。其中，染料的生產(chǎn)過(guò)程(尤其是在磺化和硝化等工序)排放了大量高濃度的SO(此處為SO2)和NO(此處為NO2)廢氣，是一種典型的高濃度SO和NO污染行業(yè)[3-4]。在當(dāng)前越來(lái)越重視環(huán)保的大背景下，對(duì)于染料行業(yè)的政策也由原來(lái)的寬松管理轉(zhuǎn)向嚴(yán)格管理。根據(jù)GB 16297-1996《大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)SO2和NO2的最高允許排放質(zhì)量濃度，SO2為1 200、NO2為420 mg×m-3。高于該濃度會(huì)造成嚴(yán)重的肺損傷甚至死亡，因此高于該限度時(shí)可稱(chēng)為高濃度污染物。目前，針對(duì)高濃度的SO2和NO2排放廢氣，其直接處理或排放都將會(huì)造成極大的資源浪費(fèi)。若采取有效措施回收，可增加經(jīng)濟(jì)效益，實(shí)現(xiàn)廢物的綜合利用。處理染料行業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中排放的含有高濃度SO2和NO2最廣泛的方法是堿液吸收法[5-6]。常用的吸收液有氫氧化鈉、氫氧化鈣和氨水等[7]。然而，氫氧化鈣吸收SO2生成的石膏已經(jīng)嚴(yán)重過(guò)剩；氨水吸收易與NO2反應(yīng)生成氣溶膠顆粒物形成二次污染，并且吸收液中的亞硝酸銨不穩(wěn)定，有一定危險(xiǎn)性[8]?；谏鲜鰤A液吸收法存在的諸多問(wèn)題，近年來(lái)，一種采用濃硫酸/硝酸來(lái)吸收高濃度SO2和NO2生成具有極高應(yīng)用價(jià)值的亞硝酰硫酸(或稱(chēng)為亞硝基硫酸)中間體成為研究的熱點(diǎn)[9-10]。典型的處理流程是采用分級(jí)吸收的方法[11-12]。具體地，采用硫酸溶液吸收NO2廢氣，得到的吸收液再用于吸收SO2廢氣，得到亞硝酰硫酸產(chǎn)品。過(guò)量的NO2或SO2經(jīng)過(guò)堿吸收，最終回收亞硝酸鈉或者亞硫酸鈉。該法雖然針對(duì)含硝尾氣和含硫尾氣進(jìn)行吸收研究，得到的硝酸可回用，但該法采用分級(jí)吸收，吸收流程復(fù)雜冗長(zhǎng)，經(jīng)濟(jì)價(jià)值不高[13-14]。如果能夠開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)一套裝置同時(shí)處理SO2與NO2尾氣，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)高效的硫硝資源化，則極具市場(chǎng)應(yīng)用前景。此工藝不僅可以同時(shí)脫除煙氣中廢氣SO2和NO2，而且還可以生成染料行業(yè)所需中間體亞硝酰基硫酸，實(shí)現(xiàn)廢物的資源化利用。但同時(shí)吸收SO2和NO2并生成亞硝酰硫酸的工藝在吸收效率、動(dòng)力學(xué)參數(shù)和傳質(zhì)性能方面還有待于深入研究[15]。

本研究采用一種新型的、經(jīng)濟(jì)高效的填料塔反應(yīng)器同時(shí)吸收SO2和NO2并生成亞硝酰硫酸的工藝。優(yōu)化硫酸/硝酸構(gòu)成的吸收液體系在同時(shí)吸收SO2和NO2的工藝條件，包括吸收液的構(gòu)成(濃硫酸和濃硝酸)與濃度、氣體流速、污染物濃度和吸收時(shí)間對(duì)吸收效率和傳質(zhì)系數(shù)的影響。深入分析了該硫酸/硝酸體系吸收SO2和NO2并生成亞硝酰硫酸工藝的吸收效率、動(dòng)力學(xué)參數(shù)和傳質(zhì)性能。最終，可為該工藝的工業(yè)化放大提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。

2 理論分析

2.1 濃硫酸吸收反應(yīng)機(jī)理

在同時(shí)吸收SO2和NO2并生成亞硝酰硫酸的工藝中，SO2可使NO2還原成NO。因此，同時(shí)吸收SO2和NO2的過(guò)程十分復(fù)雜，存在大約40個(gè)平衡方程式，且與溶解度、溫度和吸收液的構(gòu)成等有較大關(guān)系，因素的改變會(huì)導(dǎo)致吸收效率的改變[16-17]。濃硫酸可以吸收單一組分NO2，也可同時(shí)吸收SO2和NO2。當(dāng)濃硫酸吸收NO(= 1或2)時(shí)生成亞硝酰硫酸、水，其中主要方程式如下所示[18]：

NO+ NO2+ 2H2SO4→ 2NOHSO4+ H2O (1)

當(dāng)濃硫酸同時(shí)吸收SO2和NO2時(shí)，直接生成2個(gè)亞硝酰硫酸：

2NO2+ SO2+ H2SO4→ 2NOHSO4(2)

2.2 混酸吸收反應(yīng)機(jī)理

由于NO在硝酸中的溶解度遠(yuǎn)比水大。表1為25 ℃時(shí)，NO在硝酸中的溶解系數(shù)和硝酸體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系[7]。由表可知，隨著硝酸體積分?jǐn)?shù)的增加，溶解系數(shù)也隨之增大。因此，吸收液中添加濃硝酸構(gòu)成的混合吸收體系，使大量的NO溶解于吸收液中，吸收反應(yīng)比硫酸體系更加迅速?gòu)氐住＿@就使得硫酸和硝酸的混酸體系，同時(shí)吸收SO2和NO2反應(yīng)生成亞硝酰硫酸，成為更有吸引力的一個(gè)方向。而且吸收液中添加硝酸后，吸收的反應(yīng)方程式也發(fā)生了變化。硫酸和硝酸同時(shí)與SO2和NO2反應(yīng)生成亞硝酰硫酸。反應(yīng)方程式如(2)、(3)所示：

表1 NO在不同濃度硝酸中的溶解度

is the volume of NO dissolved per cubic meter of HNO3

SO2+ HNO3→ SO3+ HNO2→ NOHSO4(3)

SO2將硝酸還原成亞硝酸后與氧化后的SO3生成亞硝基硫酸，同時(shí)SO2和NO2直接與硫酸生成2個(gè)亞硝基硫酸產(chǎn)物。對(duì)比以單一的硫酸為吸收液，混酸的吸收效率會(huì)更高。

2.3 吸收率的計(jì)算

SO和NO的吸收率可以表示為

式中：in和out分別為填料塔進(jìn)出口中SO和NO的質(zhì)量濃度(mg×m-3)。

3 實(shí)驗(yàn)部分

3.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，其子系統(tǒng)由填料塔反應(yīng)系統(tǒng)、儲(chǔ)存系統(tǒng)、物料輸送系統(tǒng)和尾氣檢測(cè)系統(tǒng)4部分組成。其中，填料塔主體設(shè)備由內(nèi)徑為100 mm的316L材質(zhì)不銹鋼圓筒組成，內(nèi)部填充料為陶瓷拉西環(huán)(6 mm×6 mm×1.6 mm)。在填料塔下部有一個(gè)5 L的儲(chǔ)存釜用于儲(chǔ)存吸收液，二者通過(guò)連接管連通。儲(chǔ)存釜底部開(kāi)有單獨(dú)進(jìn)出料口，容器外側(cè)設(shè)置一個(gè)視窗，用于判斷容器內(nèi)物料的高度和形態(tài)。實(shí)驗(yàn)設(shè)有冷凝器用以保證吸收過(guò)程中的溫度始終保持70 ℃以下。酸吸收液由蠕動(dòng)泵加壓，從儲(chǔ)存釜中經(jīng)流量計(jì)輸送至填料塔上部噴淋進(jìn)入塔頂，最后由塔底流出進(jìn)入儲(chǔ)存釜完成吸收液的循環(huán)。模擬煙氣由N2、SO2(體積分?jǐn)?shù)為5%)和NO2(體積分?jǐn)?shù)為1%)組成。氣體從填料塔底部進(jìn)入，與來(lái)自自上而下的噴淋吸收液接觸反應(yīng)，達(dá)到同時(shí)脫硫脫硝的目的并實(shí)現(xiàn)廢物的資源化利用。吸收后的氣體進(jìn)入尾氣檢測(cè)處理系統(tǒng)，利用堿液對(duì)尾氣中殘存污染物進(jìn)行處理以達(dá)標(biāo)排放，同時(shí)檢測(cè)氣體中的污染物組成和濃度。

圖1 實(shí)驗(yàn)反應(yīng)器裝置圖

1. SO22. N23. NO24. condenser 5. packed column 6. storage tank 7. peristaltic pump 8. testo-350 9. exhaust gas absorption device

3.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)中，模擬煙氣(N2，NO2，SO2)通過(guò)流量計(jì)從噴淋塔下部進(jìn)入腔體內(nèi)，待檢測(cè)系統(tǒng)顯示煙氣中NO2、SO2示數(shù)穩(wěn)定后，再將吸收液由填料塔塔頂噴淋而出與氣體逆流接觸后循環(huán)吸收。經(jīng)過(guò)吸收液吸收后的尾氣通入檢測(cè)系統(tǒng)(testo350，測(cè)量分辨度在1′10-6，精度為±5′10-6)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量。吸收液中的產(chǎn)品亞硝酰硫酸采用KMnO4氧化還原滴定來(lái)確定濃度，測(cè)得其中亞硝酰硫酸的體積分?jǐn)?shù)≥40%后，結(jié)束吸收。

3.3 亞硝酰硫酸分析方法

稱(chēng)取定量的吸收液，利用0.1 mol×L-1的高錳酸鉀溶液和0.1 mol×L-1的草酸溶液，將溶液加熱到60～70 ℃時(shí)進(jìn)行滴定測(cè)試，當(dāng)溶液呈微紅色即為終點(diǎn)，其反應(yīng)方程式如下所示[19]：

2KMnO4+ 5NOHSO4+ 2H2O= K2SO4+ 2MnSO4+ 5HNO3+ 2H2SO4(5)

計(jì)算亞硝酰硫酸的質(zhì)量為

0.063×(KMnO4KMnO4-Na2C2O4Na2C2O4) (6)

式中：為溶液的體積，mL；為溶液的濃度，mol×L-1；為亞硝酰硫酸的質(zhì)量，g。

3.4 傳質(zhì)系數(shù)的測(cè)定

吸收液吸收SO2和NO2均為氣液兩相反應(yīng)過(guò)程，可采用雙膜理論進(jìn)行分析解釋?zhuān)珿為氣相總傳質(zhì)系數(shù)，mol×Pa-1×cm-2×s-1，其倒數(shù)表示相應(yīng)的傳質(zhì)阻力[20-21]。氣相傳質(zhì)系數(shù)也反映了在一定傳質(zhì)推動(dòng)力下氣液傳質(zhì)通量的大小，如式(7)所示：

式中：G為進(jìn)入反應(yīng)器的氣體體積，L；22.4為標(biāo)準(zhǔn)狀況下1 mol理想氣體體積，L；是反應(yīng)器中的反應(yīng)面積，cm2；b為氣相主體中的分壓，Pa；p為平衡分壓，Pa。

本實(shí)驗(yàn)中SO2和NO2的分壓力b，采用對(duì)數(shù)平均計(jì)算的形式。

式中：in、out分別為反應(yīng)器入口、出口的平衡分壓，Pa?？倐髻|(zhì)推動(dòng)力采用了吸收氣體的氣相主體壓力與平衡壓力的差值表示。為研究吸收的選擇性，采用SO2和NO2的總傳質(zhì)系數(shù)的比值來(lái)表示吸收液吸收2種氣體的選擇性吸收因子，即

根據(jù)計(jì)算得出的選擇性吸收因子和傳質(zhì)系數(shù)G對(duì)液相傳質(zhì)系數(shù)和實(shí)驗(yàn)的動(dòng)力學(xué)進(jìn)行探究分析。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

4.1 吸收液組成的影響

在SO2和NO2聯(lián)合吸收之前，本實(shí)驗(yàn)先考察吸收液分別對(duì)單一組分的SO2和NO2吸收影響，結(jié)果如圖2所示。

圖2 單一污染物對(duì)吸收效率與傳質(zhì)系數(shù)的影響

Temperature = 30 ℃,(SO2) = 12 038 mg×m-3,(NO2) = 2 988 mg×m-3, liquid flow rate = 0.55 m×s-1, gas flow rate = 1.32 m×s-1, absorption area = 6 280 cm2

由圖2所示，在同一吸收條件下改變吸收液體積分?jǐn)?shù)，分別針對(duì)SO2和NO2單獨(dú)吸收進(jìn)行考察。結(jié)果顯示，隨著吸收液中的硝酸體積分?jǐn)?shù)(HNO3)增加，對(duì)SO2和NO2的吸收效率均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，傳質(zhì)系數(shù)G則呈現(xiàn)增加。吸收過(guò)程中，由于單一組分吸收導(dǎo)致氣相中的NO2與SO2間不存在氧化還原循環(huán)，因此也不具有協(xié)同效應(yīng)。此時(shí)，吸收液對(duì)SO2基本不具有吸收能力，而NO2的吸收效率由于吸收液中硫酸的下降，導(dǎo)致吸收效率隨之下降。G隨(HNO3)增大而增加，主要因?yàn)橄跛岬募尤胧拐w化學(xué)反應(yīng)速率大幅增加，最終導(dǎo)致氣體傳質(zhì)系數(shù)大幅增加，反應(yīng)更快達(dá)到平衡。本實(shí)驗(yàn)還考察了吸收液的組成成分對(duì)SO2和NO2聯(lián)合吸收的影響，結(jié)果如圖3所示。當(dāng)吸收液只含有濃硫酸時(shí)，吸收液對(duì)污染物吸收效率最低。隨著(HNO3)的增加，對(duì)SO2與NO2污染物的聯(lián)合吸收效率呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)。當(dāng)吸收液中(HNO3)為10% 與20% 時(shí)，硫酸和硝酸的體積比為對(duì)SO2與NO2污染物聯(lián)合的最佳反應(yīng)吸收效率。形成混酸體系后對(duì)SO2和NO2的吸收能力顯著增強(qiáng)。當(dāng)(HNO3)達(dá)到30% 時(shí)，SO2與NO2的G均開(kāi)始略微下降，用(HNO3)為40%的硝酸時(shí)淋洗時(shí)，形成大量酸霧導(dǎo)致對(duì)SO2與NO2吸收效率和G大幅下降。在混酸體系中，對(duì)比單一組分吸收液對(duì)SO2和NO2的吸收效率明顯提升，特別是對(duì)SO2的吸收能力有了明顯的改變，主要原因是SO2與NO2發(fā)生氧化還原反應(yīng)，生成NO和SO3，并達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，使SO2和NO2之間存在協(xié)同吸收。同時(shí)，硝酸參與吸收反應(yīng)并促進(jìn)吸收平衡向產(chǎn)物的方向移動(dòng)，同樣印證了NO(= 1或2)極易溶于硝酸，與SO2反應(yīng)形成硫酸，對(duì)消耗硫酸進(jìn)行補(bǔ)充。此時(shí)選擇性因子大于1，根據(jù)可以得到，氣相的SO2和NO2經(jīng)過(guò)氣液界面進(jìn)入液相時(shí)，迅速與吸收液發(fā)生反應(yīng)完成吸收過(guò)程，在最佳效率時(shí)吸收液優(yōu)先吸收NO2，SO2的吸收則被抑制，需要采取措施保證或改善其吸收性能。綜上可知，混酸作為吸收液可以使反應(yīng)的平衡向產(chǎn)物方向移動(dòng)，穩(wěn)定存在的亞硝基硫酸的含量比單一吸收液的亞硝基硫酸含量更高，當(dāng)吸收液中(HNO3)大于20%時(shí)，硫酸的體積分?jǐn)?shù)減少，從而降低對(duì)NO2的吸收效率，使整體吸收效率和傳質(zhì)系數(shù)G大幅降低。

圖3 吸收液中硝酸含量對(duì)吸收效率和傳質(zhì)系數(shù)的影響

Temperature = 30 ℃,(SO2) = 12 038 mg×m-3,(NO2) = 2 988 mg×m-3, liquid flow rate = 0.55 m×s-1, gas flow rate = 1.32 m×s-1,absorption area = 6 280 cm2

4.2 氣體流速的影響

在吸收過(guò)程中，氣體的流速是影響吸收效率和傳質(zhì)系數(shù)G的一個(gè)重要參數(shù)。因此，本實(shí)驗(yàn)考察了氣體流速對(duì)SO2和NO2吸收生成亞硝酰硫酸的影響，結(jié)果如圖4所示。

圖4 氣體流速對(duì)吸收效率和傳質(zhì)系數(shù)KG影響

Temperature = 30 ℃,(SO2)= 12 038 mg×m-3,(NO2)= 2 988 mg×m-3, liquid flow rate = 0.55 m×s-1, absorption area = 6 280 cm2

在相同吸收液下，當(dāng)氣體的進(jìn)氣流速分別為1 L×min-1(1.32 m×s-1)、2 L×min-1(2.7 m×s-1)、3 L×min-1(3.9 m×s-1)、4 L×min-1(5.3 m×s-1)和5 L×min-1(6.3 m×s-1)時(shí)，進(jìn)行吸收反應(yīng)測(cè)試。由圖4可知，吸收效率隨進(jìn)氣量增加而降低，而G則隨著進(jìn)氣量增大而增大。由公式(9)可知，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能是增大進(jìn)氣量后，會(huì)增加氣體與液體之間的湍流程度，氣液間接觸時(shí)間變短。氣體流速較高時(shí)，氣體傳質(zhì)通量增加，氣體傳質(zhì)阻力隨增加而增加，因此G同步增加。氣體流速較低時(shí)雖對(duì)應(yīng)著吸收效率的增加，卻因過(guò)低的流速使得總體吸收速率過(guò)低。而過(guò)大的氣體流速導(dǎo)致尾氣中污染物濃度過(guò)高，增加尾氣處理的成本。因此，選擇合適的氣體流速對(duì)優(yōu)化反應(yīng)至關(guān)重要，綜合可知進(jìn)氣流速為1 L×min-1(1.32 m×s-1)是最佳吸收條件。

4.3 污染物濃度的影響

在工業(yè)吸收中，污染物濃度同樣是一個(gè)重要參數(shù)。本實(shí)驗(yàn)中由于SO2和NO2之間存在協(xié)同作用，同時(shí)存在氧化還原的動(dòng)態(tài)平衡，因此兩者的比例也至關(guān)重要。

如圖5、6所示，隨著污染物負(fù)載量增加，吸收效率均隨之增加。而G呈現(xiàn)下降。吸收效率增加的原因主要是隨著污染物負(fù)載量的增加，氣液的接觸通量增加，同時(shí)兩者之間存在協(xié)同吸收效應(yīng)，也能促進(jìn)吸收反應(yīng)進(jìn)行。其中，NO2濃度增加對(duì)SO2的吸收效率提升顯著，當(dāng)污染物中NO2的體積分?jǐn)?shù)增大時(shí)，SO2的吸收效率和傳質(zhì)系數(shù)均增大，當(dāng)NO2與SO2的體積比接近2:7時(shí)，吸收液對(duì)污染物的吸收效率達(dá)到最大。而隨著污染物的負(fù)載量增加，SO2和NO2的液相傳質(zhì)系數(shù)G降低，其主要原因是溶液中的液相阻力比例增大，氣相阻力所占比例降低，因此導(dǎo)致吸收速率呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。綜上所述，SO2與NO2的濃度為11 779與3 010mg×m-3時(shí)，吸收效率最佳。

圖5 吸收效率與污染物負(fù)載量變化的關(guān)系

Temperature = 30 ℃, liquid flow rate = 0.55 m×s-1, absorption area = 6 280 cm2

圖6 傳質(zhì)系數(shù)KG與污染物負(fù)載量變化的關(guān)系

Temperature = 30 ℃, liquid flow rate = 0.55 m·s-1, absorption area = 6 280 cm2

4.4 吸收時(shí)長(zhǎng)對(duì)傳質(zhì)系數(shù)的影響

在吸收過(guò)程中，吸收時(shí)長(zhǎng)也是影響吸收效率和G的一個(gè)重要參數(shù)。因此，本實(shí)驗(yàn)考察了吸收時(shí)長(zhǎng)對(duì)SO2和NO2吸收生成亞硝酰硫酸的影響，結(jié)果如圖7所示，反應(yīng)隨著吸收時(shí)間的延長(zhǎng)，吸收效率和G均呈現(xiàn)下降。吸收時(shí)間對(duì)G和吸收效率的影響主要是由于吸收液濃度的變化。吸收過(guò)程中，吸收液持續(xù)消耗并生成產(chǎn)物，導(dǎo)致吸收液濃度降低。根據(jù)吸收機(jī)理，氣液濃度越低，吸收效率越低，G越小，反應(yīng)速率越慢。當(dāng)70 h后產(chǎn)物亞硝酰硫酸的體積分?jǐn)?shù)達(dá)到50.36% 時(shí)，反應(yīng)基本停止。主要是由于吸收反應(yīng)導(dǎo)致吸收液中的濃硫酸和濃硝酸體積分?jǐn)?shù)降低。

圖7 吸收液吸收時(shí)間與吸收效率和傳質(zhì)系數(shù)KG的變化關(guān)系

Temperature = 30 ℃,(SO2)= 12 038 mg×m-3,(NO2)= 2 988 mg×m-3, liquid flow rate = 0.55 m×s-1, absorption area = 6 280 cm2

4.5 亞硝酰硫酸產(chǎn)物核磁共振測(cè)定

利用核磁共振儀對(duì)亞硝酰硫酸的結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，其1H譜和14N譜結(jié)果如圖8所示。氮譜中唯一的峰對(duì)應(yīng)著亞硝酰硫酸中唯一的氮。由于樣品溶解于硫酸中，氫譜出峰位置受到pH值影響，其中11.02的最強(qiáng)峰對(duì)應(yīng)硫酸中的氫，其余的4.70和2.34分別對(duì)應(yīng)水和亞硝酰硫酸中的氫。

圖8 亞硝酰硫酸核磁圖

5 結(jié) 論

實(shí)驗(yàn)采用填料塔的形式，以濃硫酸/硝酸構(gòu)成的吸收液體系同時(shí)吸收高濃度的SO2和NO2，并生成亞硝酰硫酸，實(shí)現(xiàn)廢物的資源化利用。對(duì)吸收反應(yīng)過(guò)程的動(dòng)力學(xué)參數(shù)和傳質(zhì)性能進(jìn)行了研究，并優(yōu)化了該工藝的參數(shù)和吸收效率，得到以下結(jié)論：

(1) 吸收液組分對(duì)吸收實(shí)驗(yàn)有較大影響，硝酸和硫酸形成的混酸體系效果比單一硫酸的吸收效率更高，在體積分?jǐn)?shù)為20% 時(shí)達(dá)到最佳吸收體系。

(2) 氣體流速影響實(shí)驗(yàn)顯示，當(dāng)提高氣體流速后，吸收體系的吸收效率和總體傳質(zhì)系數(shù)下降。在本實(shí)驗(yàn)中，氣體流速為1.32 m×s-1時(shí)，具有最佳的吸收效率。

(3) 污染物負(fù)載量實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)污染物濃度越高，吸收效率和傳質(zhì)系數(shù)也呈現(xiàn)正相關(guān)，隨著污染物濃度的增大而增大。

(4) 吸收效率隨著吸收時(shí)間的延長(zhǎng)而降低。在本實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)反應(yīng)吸收時(shí)間為70 h時(shí)，亞硝酰硫酸產(chǎn)物體積分?jǐn)?shù)約為53%，吸收反應(yīng)結(jié)束。

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Simultaneous absorption of high concentration SO2and NO2in packed tower for nitrosyl sulfuric acid synthesis

NI Kai-wen, JING Guo-hua, WU Xiao-min, CHEN Zi-yi

(College of Chemical Engineering, Huaqiao University, Xiamen 361021, China)

In order to solve atmospheric pollution caused by high concentration of SOand NOproduced by sulfonation and nitrification in dye industry, absorption of SO2and NO2in packed tower reactor to produce nitrosyl sulfuric acid was studied and the process conditions were optimized. Effects of composition (H2SO4and HNO3) and concentration, gas flow rate, pollutant concentration and absorption time on absorption efficiency and volumetric mass transfer coefficientGwere investigated. The results show that theGof SO2and NO2exhibits a parabolic trend with the change of nitric acid concentration in absorption solution, and it decreases with the increase of gas-liquid flow rate. It also varies with pollutant concentration and decreases with the decrease of filler contact area. The optimal absorption condition for simultaneously SO2(concentration of 11 779 mg×m-3) and NO2(concentration of 2 822 mg×m-3) adsorption was found as: gas flow rate 1.32 m×s-1, liquid flow rate 0.55 m×s-1and 20% HNO3(volume fraction).

NO2; SO2; nitrosyl sulfuric acid; packed tower; mass transfer coefficient

TQ610.9

A

10.3969/j.issn.1003-9015.2022.01.017

1003-9015(2022)01-0135-08

2021-01-19；

2021-04-28。

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“重點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng) (2018YFC0214103，2019YFC0214302)；國(guó)家自然科學(xué)基金(22006043，21806045，21476207，91534113)；福建省科技計(jì)劃基金(2020H6013)。

倪凱文(1996-)，男，福建廈門(mén)人，華僑大學(xué)碩士生。

荊國(guó)華，E-mail：zhoujing@hqu.edu.cn

倪凱文, 荊國(guó)華, 吳孝敏, 陳子逸. 填料塔同時(shí)吸收高濃度SO2和NO2生成亞硝酰硫酸的研究[J]. 高校化學(xué)工程學(xué)報(bào), 2022, 36(1): 135-142.

：NI Kai-wen, JING Guo-hua, WU Xiao-min, CHEN Zi-yi.Simultaneous absorption of high concentration SO2and NO2in packed tower for nitrosyl sulfuric acid synthesis [J]. Journal of Chemical Engineering of Chinese Universities, 2022, 36(1): 135-142.