一種用于乙二醇殘液回收的浸沒蒸發器

段 斌 閔 越 劉萬毅 胡奇林

（1.寧夏化學學會；2.寧夏鑫悅洋科技服務有限公司）

隨著工業的飛速發展，工業廢液的處理成為環保領域急需解決的問題。 我國是乙二醇的消費大國，近年來，越來越多的煤制乙二醇項目陸續上馬，乙二醇殘液成為當前化工行業的處理難題［1］。乙二醇殘液產生自產品提純精餾塔塔釜，具有成分復雜、 含水量大及處理難度高等特點，從乙二醇殘液中精制回收高品質乙二醇，具有較高的利潤空間和節能、環保價值。

當前乙二醇殘液主要依靠減壓精餾、多級精餾塔進行提純處理，工藝流程復雜，能耗普遍較大，且由于精餾工藝的限制，所得到的濃縮乙二醇（85%～98%）依然有焦糖糊味等刺激性氣味，降低了產品品質，導致產品價格每噸比無焦糖糊味的濃縮乙二醇低2 000～2 500元人民幣左右，乙二醇殘液每噸1 500元人民幣，因此對乙二醇殘液進行回收和提質，發展前景巨大。

近年來，對乙二醇殘液的研究很多。 孫向東等對乙二醇殘液進行研究，針對乙二醇殘液的組分特點，采用刮板式降膜蒸發、精餾工藝回收乙二醇殘液［2］。 趙紅軍和華超發明了一種煤制乙二醇殘液的回收方法，主要采用連續、間歇精餾的方法［3］。 陸丁丁等采用蒸發與精餾相結合的工藝回收乙二醇殘液，其特征在于經過蒸發預處理后進行精餾分離，能夠有效回收各組分，提高綜合利用效率［4］。經分析，回收乙二醇殘液的主要方法有 蒸 發［5］、物 理 吸 附［6］、間 歇/連 續 精 餾 及 膜 分 離等，其中精餾技術適用于組分簡單、沸點相差較大的體系，而蒸發法的適用范圍廣、設備簡單，更適用于類似乙二醇殘液的回收。

浸沒蒸發屬于氣-液兩相直接接觸， 利用高溫煙氣作為熱源進行傳質傳熱，其蒸發、傳熱效率比傳統方式的高，通常用于廢液處理時效果明顯，但目前尚未見到將浸沒蒸發技術應用于乙二醇殘液回收的相關技術或專利。 筆者設計發明的用于乙二醇殘液回收的浸沒蒸發設備在原理、設備成熟度、可行性等方面均具有明顯的優勢與前景。

1 設計原理

浸沒蒸發原理［7］如圖1所示，高溫氣流經浸沒直管浸入液面以下， 經由底部特制的小孔噴出，氣相以氣泡形式進入液相內部， 一方面由于氣-液兩相溫差較大，形成的溫度梯度ΔT帶來的推動力促使傳熱過程快速進行， 液相升溫速度增大，同時在氣泡上升過程中，內部壓力的逐漸增大導致氣泡破裂，局部形成高溫高壓狀態，對液相體系的擾動作用明顯，從而進一步促進了傳熱與傳質過程。 由于高溫氣流作用，液相體系中飽和蒸氣壓低的組分（溶劑或輕組分）汽化，隨著氣流排出，溶質（或重組分）百分含量增大，實現溶液濃縮［8，9］。

圖1 浸沒蒸發原理圖

通過氣-質聯用（GC-MS）對原料進行分析，乙二醇殘液中含有草酸二甲酯、乙醇酸甲酯和大量的水，組分分析見表1。

表1 乙二醇殘液組分分析

查閱資料可知，草酸二甲酯、乙醇酸甲酯在大量水中會發生水解反應，其反應方程式和反應條件如下：

CH3OOCCOOCH3+H2O→HOOCCOOH+2CH3OH，ΔH=8.97kJ/mol

（水解條件：水酯比例為20∶1、溫度80℃、時間60min）

CH3OOCCH2OH+H2O→HOOCCH2OH+CH3OH，ΔH=16.12kJ/mol

（水解條件：水酯比例為30∶1、溫度80℃、時間300min）

2 設計方案

2.1 方案思路

本發明依據浸沒蒸發原理，利用低品位熱源（鍋爐煙氣或其他熱源）替代燃料氣，取消原有設計中的燃燒室，改為直管式圓筒，底部設計特殊結構的小孔，有利于形成尺寸更小、更均勻的氣泡，進一步提高傳熱傳質效率。 由于乙二醇殘液含有酯類等有機物，容易形成泡沫，氣流量過大產生類似霧沫夾帶現象，降低效率，因此在主設備上部位置增加金屬絲網除沫器，一方面可進行氣液兩相分離，另一方面還起到填料作用，進一步加強傳質過程。乙二醇殘液pH值為5～6左右，易對金屬產生腐蝕，同時為了提高乙二醇殘液升溫速率， 在蒸發器底部設置了內置聚四氟換熱器，采用蒸汽為加熱介質對乙二醇殘液進行加熱。

本發明特點是充分利用了高溫鍋爐煙氣替代燃氣作為動力源， 在降低處理成本的同時，對煙氣熱能加以回收利用。 同時增加的絲網除沫器和內置聚四氟換熱器保證了處理過程的穩定性、設備長期使用的安全性等。

2.2 設備結構

筆者發明的直管式浸沒蒸發器結構如圖2所示。 乙二醇殘液由側面的進氣管泵入直管式浸沒蒸發器中，液位計顯示液位達到1/2，需保證進氣管底部通氣孔全部淹沒至液面以下。 鍋爐煙氣由進氣管通入直管式浸沒蒸發器中， 煙氣流量為600m3/h，由于氣流作用所產生的霧沫夾帶通過絲網除沫器進行過濾，尾氣由蒸發器頂部出氣口排出。 開啟蒸發器底部內置聚四氟換熱器進出口閥門，通入蒸汽進行加熱，蒸汽進口壓力在0.4MPa以上。 完成蒸發后經由底部出液口排出。 蒸發器外壁設置有取樣口，可隨時進行分析取樣。

圖2 直管式浸沒蒸發器結構示意圖

進氣管結構如圖3所示，進氣管為直管式，底面密封，同時開有進氣孔，進氣孔為傾斜開孔，角度為32°。

圖3 進氣管結構示意圖

2.3 設備設計參數

本發明屬于非標設備，設計時主要參考浸沒燃燒蒸發器［10］內容。 設備設計處理量為1.125t/h，各項參數計算過程如下。

2.3.1 蒸發強度

蒸發強度、 浸沒深度決定了氣-液傳熱傳質空間的大小，而蒸發室環形斷面大小以環形斷面蒸發強度為指標。 蒸發強度和加熱室環形斷面面積函數關系如下：

W=M/S

式中 M——設備設計處理量，即蒸發水量，kg/h；

S——加熱室環形斷面面積，m2；

W——蒸發強度，kg/（m2·h）。

其中，M取1.125t/h，即1 125kg/h；設計浸沒蒸發器規格尺寸為φ1.5m×2.3m，則加熱室環形斷面面積S=πR2=π（1.5÷2）2=1.766m2，代入數據可得，W=637kg/（m2·h）。

2.3.2 直管浸沒深度

直管浸沒深度決定了氣泡存在時間的長短，浸沒深度過大，氣相阻力過大、損耗過大，氣泡產生量越小，而深度過小，形成氣泡的時間過短、停留時間短，傳熱傳質效果不好，在底部位置易形成“死區”，且造成液相體系形成溫度梯度，工作時間延長。 因此，適宜的直管浸沒深度對于浸沒蒸發過程極為重要。

綜合考慮氣相壓力、溫度差、工作時間及能耗等因素，本發明設計直管浸沒深度為液面以下2/3處， 若液面高度為1.01m， 則直管距設備底部0.34m。

另外直管直徑、底部小孔直徑對氣泡的尺寸影響明顯， 選擇合理的直管直徑也尤為重要，浸沒直管直徑dm為：式中 Qf——氣體流量，取239m3/h；

Vm——氣體流速，1.0～3.5m/s，取3.5m/s。

代入數據可得dm=155mm，另將小孔直徑設計為4mm。

2.3.3 熱效率

查閱資料可知， 浸沒燃燒蒸發器傳熱效率92%～95%，本設備取熱效率ηh=92%。

2.3.4 分離系統

蒸發器高度影響氣液相的分離， 合適的傳熱、傳質空間對蒸發意義重大，蒸發器高度過低容易形成霧沫夾帶， 過高則會導致制作成本高，故為了降低蒸發器的高度，在蒸發室上部設置排氣筒。

排氣筒設計為大直徑的圓筒，直徑Dg為：

2.3.5 蒸發室

2.3.6 內置聚四氟換熱器

本課題設計的蒸發器需在內部安裝保溫裝置， 選用內置的聚四氟換熱器， 其結構如圖4所示。 該換熱器以許多細小直徑的聚四氟乙烯軟管為傳熱組件，具有換熱面積較大，耐腐蝕、抗蝕性好、不易結垢的特點。 選型參數為：

聚四氟管規格 φ0.8mm×0.5mm

聚四氟乙烯軟管根數 121

換熱面積 10m2

管程介質 熱水

殼程介質 乙二醇殘液

換熱器高度 400mm

圖4 聚四氟換熱器結構示意圖

3 結束語

參考上述設備關鍵參數計算及設計結果，本課題在經過實驗室小試、理論計算、中試放大裝置設計后， 按照設計參數制作出一臺蒸發設備，配合其他工藝設備進行中試試驗，并對實驗裝置參數進一步修正后實驗效果良好，濃縮提純后的乙二醇殘液能夠滿足相關質量標準要求，證明了浸沒蒸發器用于處理乙二醇殘液能夠達到預期目標，后續將視計劃進行工業化裝置實驗等。 本課題形成的技術成果通過了銀川市科技成果登記。