動(dòng)力波清洗法回收空氣中丙酮的工藝及設(shè)備設(shè)計(jì)*

王樹江 王飛揚(yáng) 唐明電 邢景梅 賀建文

(長春工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院)

1 實(shí)驗(yàn)研究提供的設(shè)計(jì)依據(jù)

在水中加入0.5‰的聚乙烯醇作為丙酮水溶液的穩(wěn)定劑，通過對動(dòng)力波實(shí)驗(yàn)裝置的流體力學(xué)性能、操作液氣比、氣液適宜流速以及傳質(zhì)性能等的研究，得到設(shè)計(jì)回收丙酮?dú)怏w的動(dòng)力波生產(chǎn)裝置參數(shù)如下：

氣體流速 1.8～2.5m/s

液體出口流速 9～11m/s

操作液氣比 (0.018～0.023)∶1

液體噴射高度 0.8～1.3m

系統(tǒng)最高壓力 103kPa

系統(tǒng)最低壓力 34kPa

2 工藝及設(shè)備設(shè)計(jì)

2.1 工藝流程

根據(jù)實(shí)驗(yàn)研究的工藝，設(shè)計(jì)的動(dòng)力波清洗法回收車間空氣中丙酮的工藝流程如圖1。

圖1中，來自聚醚酮精制車間的含丙酮空氣通過鼓風(fēng)機(jī)和尾部真空泵的共同作用，以較快的氣速自上而下的通過洗滌管，根據(jù)工廠的丙酮揮發(fā)源等情況，進(jìn)氣口可設(shè)置多個(gè)。離心泵將洗水儲(chǔ)罐內(nèi)的洗滌水送至噴嘴處，洗滌水以較大的水壓和出口速度自下而上噴出，與進(jìn)入洗滌管的氣流在洗滌管內(nèi)逆向?qū)ψ玻ㄟ^調(diào)節(jié)氣液流量，在適宜的操作條件下，兩相流在洗滌管內(nèi)某處達(dá)到動(dòng)量平衡，液體被氣流吹散成小液滴，在洗滌管內(nèi)某一段形成湍動(dòng)穩(wěn)定的泡沫區(qū)，氣液兩相在這一區(qū)域以泡沫的形式接觸，接觸面積極大，液體表面更新迅速，可獲得較高的傳質(zhì)效率。

圖1 動(dòng)力波清洗法回收空氣中丙酮的工藝流程

洗滌管底部設(shè)置混合器，氣液兩相在洗滌管內(nèi)經(jīng)過泡沫接觸后，沿洗滌管順流而下，到洗滌管底部經(jīng)此混合器二次湍動(dòng)混合，使得氣液兩相的接觸更充分，進(jìn)一步提高傳質(zhì)效率。

從混合器出來的氣液混合物經(jīng)管道進(jìn)入洗水儲(chǔ)罐上方的旋風(fēng)氣液分離器(結(jié)構(gòu)與旋風(fēng)分離器相似)，在分離器內(nèi)有效實(shí)現(xiàn)氣液分離。分離器上部設(shè)有除沫器，上升的氣體經(jīng)除沫器除去少量夾帶的液沫，通過緩沖罐再經(jīng)真空泵排入大氣。分離器底部用較小的管徑與洗水儲(chǔ)罐連接，洗水經(jīng)管道流入儲(chǔ)罐循環(huán)使用，也可直接進(jìn)入精餾儲(chǔ)料罐。

2.2 工藝及設(shè)備設(shè)計(jì)中重點(diǎn)環(huán)節(jié)

2.2.1工藝流程中供氣方式的設(shè)計(jì)

文獻(xiàn)中多采用單一的鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)氣或尾部加引風(fēng)機(jī)的形式[3，8，10]，該進(jìn)氣方式的弊端是系統(tǒng)內(nèi)的表壓值(正壓)過大，或系統(tǒng)內(nèi)的真空度(負(fù)壓)過高。正壓過大會(huì)造成設(shè)備壓力負(fù)荷過大，能耗較高；負(fù)壓過高，影響清洗效果，降低生產(chǎn)效率。

實(shí)驗(yàn)時(shí)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，同時(shí)使用鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)氣和真空泵尾部抽氣，系統(tǒng)內(nèi)的壓力變化相對于單一進(jìn)氣方式要小得多。當(dāng)兩者協(xié)調(diào)至較佳狀態(tài)時(shí)，設(shè)備內(nèi)的壓力接近常壓，減小了設(shè)備運(yùn)行的壓力負(fù)荷。

2.2.2洗滌管內(nèi)隔板和噴嘴分布的設(shè)計(jì)

設(shè)備設(shè)計(jì)中洗滌管的設(shè)計(jì)主要依據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，洗滌液的噴射高度最高時(shí)達(dá)到1.3m左右，為適應(yīng)更大操作彈性，將洗滌管的高度H設(shè)計(jì)為1.50m。然后依據(jù)處理量計(jì)算內(nèi)徑Di，再依據(jù)壓力變化計(jì)算洗滌管壁厚，最后進(jìn)行強(qiáng)度校核[11]。

傳統(tǒng)工藝中洗滌管內(nèi)部不設(shè)置其他部件，噴嘴形式多采用單一噴嘴[11]，為使氣液兩相間的接觸更加充分，達(dá)到實(shí)驗(yàn)室研究的效果，對洗滌管內(nèi)部和噴嘴分布進(jìn)行設(shè)計(jì)。在洗滌管中部(實(shí)驗(yàn)中泡沫區(qū)出現(xiàn)的位置)設(shè)置隔板(圖2 所示)，共設(shè)3塊，每塊隔板之間間隔角度為120°，將洗滌管截面平均分為三等份，每塊隔板的邊緣與洗滌管內(nèi)壁都留有一定的縫隙，運(yùn)行時(shí)，氣液兩相在隔板劃分的空間內(nèi)形成湍動(dòng)泡沫區(qū)，由于隔板的作用，氣液在各自區(qū)域內(nèi)湍動(dòng)更為劇烈，促進(jìn)傳質(zhì)效果。實(shí)驗(yàn)中泡沫區(qū)段的位置及其高度范圍在0.8～1.3m，將隔板的高度設(shè)定為0.5m。安裝高度為下端距洗滌管底部法蘭0.8m，隔板截面邊界圓周直徑為130mm，隔板邊緣與管壁的縫隙寬度為5mm，采用卡槽固定，需要調(diào)整時(shí)可隨時(shí)從洗滌管頂部取出。

圖2 洗滌管內(nèi)部隔板示意圖

隔板將洗滌管分成3個(gè)區(qū)域，在洗滌管底部，對應(yīng)設(shè)置3個(gè)相同結(jié)構(gòu)及尺寸的噴嘴(圖3)，3個(gè)噴嘴中心連線成正三角形(圖4)。一個(gè)噴嘴對應(yīng)一個(gè)區(qū)域，確保運(yùn)行時(shí)洗滌水與氣相接觸更充分。如果沒有隔板，由于洗滌管截面相對較大，可能會(huì)造成瞬時(shí)偏流或短路，降低傳質(zhì)效果。

圖3 噴嘴結(jié)構(gòu)示意圖

2.2.3二次混合器的設(shè)置

通常動(dòng)力波清洗法洗滌過程只在泡沫區(qū)內(nèi)進(jìn)行，在泡沫區(qū)下方同向流動(dòng)的氣液兩相不會(huì)產(chǎn)生或僅有微量的傳質(zhì)過程。為進(jìn)一步強(qiáng)化傳質(zhì)作用，設(shè)計(jì)中在洗滌管底部設(shè)置二次混合器(用電機(jī)帶動(dòng)攪拌槳)，使同向流動(dòng)的氣液兩相在混合器內(nèi)實(shí)現(xiàn)二次湍動(dòng)接觸，加強(qiáng)傳質(zhì)作用[12]。

圖4 噴嘴分布圖

攪拌槳結(jié)構(gòu)如圖5所示，槳葉焊接在金屬圓盤上，槳葉邊緣距離洗滌管內(nèi)壁5mm，槳葉尺寸不宜過寬或過長，更不可伸到圓盤中心。攪拌槳的葉片也不宜過多，要為氣液通過時(shí)留下足夠空間，避免阻力過大，氣液混合物不能順利通過。整個(gè)攪拌槳形狀如圖6所示，攪拌槳由3組攪拌葉組成，中部攪拌葉直徑大，兩邊的直徑小，采用電機(jī)帶動(dòng)，安裝形式是電機(jī)轉(zhuǎn)軸垂直洗滌管軸線。

圖5 攪拌槳的結(jié)構(gòu)尺寸

圖6 攪拌器形狀示意圖

2.2.4氣液分離裝置的設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的氣液分離方式和路徑如圖7所示[10]，從圖7中可以看出，氣液兩相在洗滌管內(nèi)經(jīng)過泡沫接觸后，流經(jīng)管道直接進(jìn)入循環(huán)液儲(chǔ)罐，氣液混合物在儲(chǔ)罐內(nèi)的液面上部分離，氣體出口處設(shè)置除沫器。這種氣液分離方式的缺點(diǎn)主要有：從洗滌管中出來的氣液混合物速度較快，即使氣體出口處設(shè)置了除沫器，也仍會(huì)有液沫夾帶；為了使氣液兩相分離較為充分，循環(huán)液儲(chǔ)罐內(nèi)的液面上方必須預(yù)留相當(dāng)大的分離空間，儲(chǔ)罐需有較大的體積，造成設(shè)備體積龐大，增加設(shè)備投資；用于處理易揮發(fā)性物質(zhì)(如丙酮)，由于進(jìn)入儲(chǔ)罐的氣體流速較快，加上儲(chǔ)罐內(nèi)循環(huán)液表面積過大(等于儲(chǔ)罐截面積)，當(dāng)溶液內(nèi)溶質(zhì)的濃度達(dá)到一定程度后，極易造成循環(huán)液內(nèi)溶質(zhì)的二次揮發(fā)，致使尾氣中被處理物濃度升高，降低洗滌效率。實(shí)驗(yàn)時(shí)尾氣中丙酮濃度過高，回收率較低，特別是以一定濃度的丙酮水溶液循環(huán)使用時(shí)，這種情況更明顯。

圖7 傳統(tǒng)的氣液分離方式和路徑

針對傳統(tǒng)氣液分離設(shè)備的弊端，筆者設(shè)計(jì)了圖8所示的氣液分離設(shè)備，具體結(jié)構(gòu)與旋風(fēng)分離器相似。從洗滌管內(nèi)出來的氣液混合物直接進(jìn)入旋風(fēng)分液器，氣液兩相在分離器內(nèi)實(shí)現(xiàn)有效分離。分離后的氣體經(jīng)分離器的上部出口進(jìn)入除沫器，使氣體進(jìn)一步得到脫液，最后排入大氣。液體混合物則經(jīng)直徑相對較小的管道流入循環(huán)液儲(chǔ)罐，或由放出口送至精餾儲(chǔ)罐。

圖8 新設(shè)計(jì)的氣液分離設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖

3 生產(chǎn)運(yùn)行

表1是車間某日3班處理3.4t聚醚酮原料的設(shè)備運(yùn)行記錄，其中丙酮回收量按實(shí)際精餾操作回收率推算出來的。總水溶液量為M，溶液中丙酮濃度為Cb，實(shí)際精餾操作回收率98%。空氣中丙酮回收率低濃度(含量不大于15g/m3)按98%計(jì)算，高濃度按95%計(jì)算。回收量G=M×Cb×98%。表1中空氣中丙酮濃度平均值是因其實(shí)際濃度變化較大，取多次測量值的平均值。

表1 動(dòng)力波回收設(shè)備運(yùn)行記錄表(每班8h)

由于生產(chǎn)的不確定性，每班操作中空氣中丙酮濃度不盡相同，氣體中丙酮濃度較低時(shí)，清洗水還會(huì)循環(huán)使用。因此每班或每天的丙酮回收量稍有變化。設(shè)備操作比較容易，只要將進(jìn)氣量、水流量調(diào)節(jié)到一定流量，設(shè)備就可在不需人看護(hù)下運(yùn)行。但開車中要注意，盡量小流量用水，或循環(huán)用水，以提高水溶液中丙酮的含量，降低精餾時(shí)的能耗。

4 結(jié)束語

以實(shí)驗(yàn)的過程和數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，根據(jù)車間含丙酮空氣的氣量，對動(dòng)力波清洗法回收聚醚酮丙酮洗車間空氣中丙酮的生產(chǎn)工藝及設(shè)備進(jìn)行了設(shè)計(jì)。在洗滌管泡沫區(qū)段設(shè)置了隔板，增大氣液兩相接觸的相對截面積，加劇兩相接觸的湍動(dòng)程度；噴液口由3個(gè)噴嘴組成，提高了液相噴出時(shí)的分散程度；洗滌管底部設(shè)置二次混合器，使氣液兩相再次湍動(dòng)混合；從洗滌管出來的氣液混合物以切線的方式進(jìn)入旋風(fēng)分液器，達(dá)到旋氣分液的作用，減小氣液分離器的負(fù)擔(dān)；采用鼓風(fēng)機(jī)和真空泵協(xié)調(diào)供氣，減小了設(shè)備的壓力負(fù)荷和洗滌管內(nèi)的壓降損失。設(shè)計(jì)中每一環(huán)節(jié)都是以提高傳質(zhì)效率為目標(biāo)，設(shè)備投入生產(chǎn)后，運(yùn)行穩(wěn)定，操作費(fèi)用低，管理便利，每年可從空氣中回收丙酮四十多噸。

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