聚丙烯填料塔应用于PCB 废气净化的工程实践

1.随着印制电路板(PCB) 产业的不断发展,高技术污染问题日益突出,因其污染物多为复合型,不为大多数人所认识,具有较高的毒害性。废气污染是PCB行业主要污染之一,因此,寻求一种高效率、低成本的有毒有害废气污染物治理技术,成为我们研究及工程实践的努力方向。

2 　废气来源及特性
印制电路板生产工序复杂,较典型的主要有4 个工序产生废气: (1) 酸性蚀刻工序和酸洗工序均使用了硫酸及盐酸溶液,有酸性气体挥发出来。(2) 碱性蚀刻工序中,使用了碱性氯化铜蚀刻液,其基本成分为氯化铜、氯化铵、氨水,该工序有氨气挥发出来。
(3) 印刷工序使用了油墨,含有少量苯和二甲苯气体挥发出来。(4) 在热风整平焊锡工序,使用了松香焊剂,有松香烟气产生。
实际上挥发性气体污染涉及生产工序的每个过程,包括黑化处理、化学铜、整板电镀、弱蚀、树脂粗化、除粘污、整板电镀后处理、焊锡热风整平、蚀刻、涂布前处理、显像、树脂粗化、镀金前处理、无电解镀金、电解镀金、镀金后处理以及水溶性装置等都需配以稳定的排风系统。本研究以处理风量为20 000 Nm3Ph的散堆填料塔为例,介绍聚丙烯(PP) 填料塔应用于PCB废气净化的工程实践。
3 　工艺设计
311 　工艺条件
处理风量　20 000 Nm3Ph ;废气特性　5 % HCl 废
气;工作压力　- 118 kPa ;废气温度　25 ℃。
312 　工艺流程
工艺废气由专用废气收集系统收集后,进入填料塔进行洗涤吸收,在填料塔中废气与吸收液充分接触,废气中有害污染物被充分吸收,从而使废气得以净化。净化气通过塔后段的除雾段去除气体中的水分,最终处理后的废气由风机输送并经排气筒排放,吸收液应及时定期更换,废液经厂内排水系统进入污水处理站处理。废气净化工艺流程如图1 ,填料塔系统见图2。

313 　塔体设计
塔体整体结构设计采用聚丙烯板材制作。聚丙烯产品具有:质轻、无毒、耐腐蚀、绝缘、耐磨、易加工及良好的机械和耐温性能。还具有整体性强、表面平整平滑有光泽等特点,其主要物理性能如表1。
31311 　填料的选择填料的选择应满足以下几个基本要求: (1) 具有较大的比表面积和良好的润湿性; (2) 较高的空隙率;(3) 气流阻力小; (4) 耐腐蚀、机械强度大、稳定性好、质量轻,造价低。近年在低浓度废气净化中常用的有PP、PVC 耐酸碱填料,典型的结构有海胆型、特拉瑞、双星球、花环型等。设计采用直径为Dg51 型的花环PP 填料。聚丙烯花环填料几何特性数据见表2。

表2 　聚丙烯花环填料几何特性
外径×高×厚Pmm 堆积个数P个·m- 3 堆积密度Pkg·m- 3 比表面积Pm3·m- 3 空隙率Pm3·m- 3
51 ×19 ×3 ×3 25 000 103 180 0 189
31312 　吸收剂的选择及用量
吸收液的选择应根据废气中有毒有害的成分、工厂的具体情况、经济效益等因素综合考虑,在低浓度废气污染治理中,水是最常用的不可缺少的洗涤剂,为了提高效率,常在水中添加一定比例的吸收剂作为吸收液。
本设计采用5 %氢氧化钠水溶液作为吸收液。吸收剂用量确定主要取决于适当的液气比,液气比的大小由设备投资和运行费用两个因素决定,工业上一般取最小液气比的1～2 倍。
31313 　液泛气速与填料压降填料塔塔径的设计是根据选定的操作气速来确定的,填料塔的气速不能任意提高,当气速达到一定
值时,塔的压降陡然升高,气体夹带液沫严重,塔的正常运行状态被破坏,此时的气速称为液泛气速,不同的填料和物系具有不同的泛点气速,由Ecket 等人提出的液泛、压降和各种因素之间的关系曲线图,其关系如图3。

图3 　Eckert 填料塔液泛点和压降通用关系图

操作气速u0 一般根据填料塔的液泛气速ut 确定,根据生产经验,操作气速按液泛气速的60 %～80 %选用,取u0 = 212 mPs。
31314 　塔径的设计
化工和环境工程中通常认为当混合气体中溶质浓度低于5 %～10 %时为低浓度吸收。由于气体成分、物性、浓度、吸收剂用量、气速等因素的影响,塔径、塔高均不同。在气体处理量Q 一定时,塔径D 可根据选用的空塔气速u0 求得:

整个填料塔的高度应包括填料层高度、填料段间隙、塔顶和塔底等各部分的高度,一般填料段间隙0125～110 m。鉴于废气颗粒物较少,无需另设沉淀槽,只需在塔体下部保持一定液位,作为循环液槽使用,形成塔槽合一的整体结构。
31316 　填料层压力降的核算
为尽量减少计算误差,满足工程设计的需要,填料层压力降一般采用较为实用的公式核算:

31317 　塔壁厚度确定
填料塔在负压下操作,塔体为外压圆筒,外压薄
壁在压应力达到一定值时塔壁失去原有形状,产生压
瘪失稳现象。塔壁厚直接关系到塔体稳定性。据文
献,外压短圆筒的外压( P) 计算公式为:

Ex ———圆筒的轴向弹性模量;
Ey ———圆筒的环向弹性模量;
vxy ———轴向泊松比;
vyx ———环向泊松比;
K ———稳定性安全系数。
本例确定塔体设计压力- 118 kPa ,即外压P =118 kPa ,确定塔体壁厚时,可先假定一个t0 ,计算( P)值,若( P) ≥P 且接近P ,则可视t0 即为所求的理论壁厚。另考虑到塔体壁厚的加工误差、支承梁对塔壁的附加载荷、烟气管道、监视窗等的开孔补强、下部塔体贮液等诸因素,相应考虑不同的壁厚附加量。
4 　工程效果
本废气处理工艺已成功应用于多家PCB 企业,较具代表性的是在番禺南沙开发区某外资电子企业实施的工艺废气净化处理工程, 总处理规模20 万m3Ph ,分10 个填料塔处理。每个塔配备补水和加药自动控制系统,喷淋液在液槽中汇集,通过循环泵提供恒定水压,进行循环洗气,控制系统根据工艺调节提供自动排水、补水及加药时间。当液位降低时,自动启动补水系统进行补水,并有自动报警功能。该项目已通过环保监测,完全达到规定的排放标准,效果明显。监测结果见表3。
表3 　监测结果
污染源名称 污染物Pmg·m -3

氯化氢 硫酸雾 粉尘
黑化处理 11608 11938 -
黑化处理 1134 21582 -
化学铜装置 31572 21680 -
整板电镀 11230 11696 -
整板电镀 21258 21538 -
弱蚀装置、树脂粗化、
除钻污、整板电镀后处理 11293 11502
焊锡热风整平置 11590 11919 52102
蚀刻装置
涂布前处理、显像装置 11730 21325 -
镀金前处理、无电解镀金、
电解镀金、镀金后处理、 11859 21226 -
水溶性装置
5 　结束语
聚丙烯散堆填料塔应用于工业废气治理具有以
下特点:
(1) 填料塔具有很高的传质负荷,传递速率可以通过改变填料层高度得到调整;
(2) 填料层阻力小,运行能耗低;
(3) 使用寿命长;
(4) 填料塔内必须保持气液分布均匀,不合理的分布方式会导致治理效率的降低;
(5) 大直径填料塔给实际安装带来一定的困难,塔成本和运行成本也随之增加;
(6) 由于洗涤塔为PP 材质,对烟气温度有较高的要求,一般要求温度低于60 ℃。对外置设施应注意因太阳曝晒引至温升,在负压下的塑性变形。

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