環(huán)己酮生產(chǎn)中碳酸鈉回收干燥裝置的設(shè)計與分析

黎樹根

(中國石化集團資產(chǎn)管理有限公司巴陵石化分公司環(huán)己酮事業(yè)部，湖南岳陽 414014)

環(huán)己酮生產(chǎn)中碳酸鈉回收干燥裝置的設(shè)計與分析

黎樹根

(中國石化集團資產(chǎn)管理有限公司巴陵石化分公司環(huán)己酮事業(yè)部，湖南岳陽 414014)

針對環(huán)己酮生產(chǎn)過程中廢堿碳酸鈉回收利用的工藝特點，設(shè)計了一種新型干燥裝置，對干燥器的干燥流程、干燥器的結(jié)構(gòu)和工作原理進行了分析及計算。結(jié)果表明:循環(huán)自動干燥碳酸鈉設(shè)備主要由干燥箱、供熱風系統(tǒng)、抽濕系統(tǒng)、擴散系統(tǒng)和包裝系統(tǒng)組成;通過溫控由電烘箱進行碳酸鈉干燥實驗，得到了碳酸鈉干燥設(shè)備的干燥曲線，該系統(tǒng)干燥能力達1～2 t/h，干燥后碳酸鈉含水率小于2%;該系統(tǒng)利用工廠廢煙氣作熱源，節(jié)省干燥成本，且無環(huán)境污染。該設(shè)備干燥能力大，熱效率高，能耗低，調(diào)控性能好，很好的解決了環(huán)己酮工業(yè)中廢堿處理的難題。

環(huán)己酮 碳酸鈉 干燥裝置 設(shè)備

環(huán)己酮是一種重要的化工原料和工業(yè)溶劑，是制造尼龍、己內(nèi)酰胺和己二酸的主要中間體。目前我國均采用環(huán)己烷無催化氧化工藝生產(chǎn)環(huán)己酮，生產(chǎn)中會產(chǎn)生皂化廢堿液。常用的皂化廢堿液的處理技術(shù)是焚燒法，廢堿液焚燒后生成的碳酸鈉是一種用途非常廣泛的化工原料，對其進行回收利用。皂化廢堿液在焚燒過程中，所生成的輕質(zhì)碳酸鈉粉塵隨排煙尾氣經(jīng)靜電除塵系統(tǒng)捕捉回收，重質(zhì)碳酸鈉落入爐底，高溫熔融后經(jīng)溜子槽進入固堿回收系統(tǒng)，經(jīng)過固液分離及輸送機構(gòu)降溫的碳酸鈉顆粒被回收。經(jīng)該法回收的重質(zhì)碳酸鈉約占總回收量的50%，碳酸鈉質(zhì)量分數(shù)75% ～85%，其含水率為20% ～25%，最高可達50%。目前常用自然干燥法將其堆放在平地上進行自然干燥，但是此法存在干燥周期長、極易板結(jié)、勞動強度大、被濾出的堿性水對環(huán)境污染嚴重、堵塞管道、人工及材料費用高等問題，為此有必要研制一套高效、環(huán)保、節(jié)能的干燥裝置對含水碳酸鈉進行干燥處理，解決碳酸鈉回收處理的難題，以利于碳酸鈉回收后的再利用。

1 干燥流程與裝置的設(shè)計方案

1.1 含水碳酸鈉干燥流程設(shè)計

碳酸鈉干燥前為深色成團顆粒，初始含水率為20% ～50%，要求干燥后含水率小于2.5%，干燥后物料產(chǎn)品為散狀顆粒。實驗表明:其干燥溫度須小于200℃，當溫度過高時，干燥過程中將會出現(xiàn)堿析現(xiàn)象，溫度越高，堿析越嚴重［1］;另外，干燥時極容易板結(jié)，形成堅固的塊狀物。為防止這些現(xiàn)象的出現(xiàn)，在制定干燥流程時，利用工廠廢煙氣作為干燥器的干燥熱源，這樣不僅節(jié)省了干燥能源成本且獲得了穩(wěn)定干燥介質(zhì)(煙氣的溫度為120～180℃)，并將干燥過程分為3段進行，每段都裝有攪拌器將物料打散，防止物料板結(jié)，并使其干燥更為均勻。其干燥流程如圖1所示。

圖1 含水碳酸鈉的干燥流程Fig.1 Drying process of hydrous sodium carbonate

從圖1可看出:需干燥的含水碳酸鈉通過出料臺的滑槽首先進入振動排水喂料裝置，此時碳酸鈉為含有大量水分的流體狀物料，含水率達20%～50%，在振動排水喂料裝置中裝有振動電機及導水網(wǎng)和導水槽，在振動作用下，物料中部分自由水將排出，在喂料斗內(nèi)裝有一套齒形攪拌器，其作用是打散團塊的物料及均勻喂料;在振動排水喂料裝置中裝有導料器及喂料調(diào)節(jié)裝置，能保證均勻的向干燥器喂料，喂料量可根據(jù)產(chǎn)量進行調(diào)節(jié)，此作用還可以將瞬時大峰值碳酸鈉物料均勻的分解到一定時間段內(nèi)進行烘干，以避免物料峰值對干燥效能的影響。

第二步:需干燥的碳酸鈉通過振動排水喂料裝置進入第一級干燥器后緩慢運行，途中不斷地與供熱風路通過供熱風罩供給的高溫煙氣接觸，進行熱傳導、熱對流及熱轉(zhuǎn)換過程，其作用是將碳酸鈉中的吸附水加熱成高溫水蒸氣從物料中蒸發(fā)排出;為加快熱轉(zhuǎn)換過程，需保證物料盡可能均勻和大面積與高溫煙氣接觸，因而在每個供熱風罩裝有兩套齒形攪拌器，其作用是將碳酸鈉打散及拋起，一方面防止碳酸鈉板結(jié)，另一方面使物料與高溫煙氣充分接觸。一級干燥器內(nèi)裝有5組供熱風罩和10套齒形攪拌器，這樣能保證物料在整個干燥器內(nèi)高效干燥。第三步:重復第二步。第四步:重復第二步。第五步:將干燥后的碳酸鈉回收輸送到包裝料倉內(nèi)。

1.2 含水碳酸鈉干燥裝置的設(shè)計

1.2.1 裝置的設(shè)計方案

從圖2可看出，實現(xiàn)閉路式循環(huán)自動干燥碳酸鈉裝置主要由干燥箱、供熱風系統(tǒng)、抽濕系統(tǒng)、打散系統(tǒng)、包裝系統(tǒng)等組成。

圖2 碳酸鈉干燥裝置設(shè)計方案Fig.2 Design of sodium carbonate drying machine

1.2.2 裝置的設(shè)計說明

整個干燥系統(tǒng)總長30 m，由3部分組成，即干燥部分、供熱風路、抽濕風路組成。

干燥部分由3個干燥箱組成，3個干燥箱呈階梯降階設(shè)計，每個干燥箱除兩端進出料口外均為封閉箱式結(jié)構(gòu)，箱體采用框架結(jié)構(gòu)，外側(cè)表面用烤漆壓形鋼板裝飾，布局合理并增加了相應(yīng)的故障檢查清理位置，使用更為方便，箱體四周用保溫材料進行保溫處理，以防止熱量散失。每個干燥箱內(nèi)裝一套物料輸送裝置，采用大節(jié)距的輸送鏈同步輸送，用不銹鋼鱗板固定在輸送鏈條上，形成為鱗板式輸送線;物料落在不銹鋼鱗板上，鱗板兩邊用導板導向，鱗板式輸送線的頭部(即干燥器出口處)裝有1個集料斗和1個刮料器，這樣能保證將物料打成散狀均勻的導入下一級干燥器的輸送線上。輸送線的速度用變頻器進行無級調(diào)速。

供熱風路部分是使用一臺高溫鍋爐引風機作為供熱風機將高溫煙氣引入干燥器內(nèi)，鍋爐引風機進風口接廠內(nèi)現(xiàn)有的煙氣管道上，在進風口與高溫煙氣連接管之間裝有一套手動閘閥和一套電控切斷閥，組成一套安全供風和斷風裝置;另外裝有一套由自控調(diào)風閥、自控儀表和熱電偶組成的調(diào)溫系統(tǒng)，保證供給干燥器所需溫度的熱源，出風口接入沿干燥線布置的一條主管道上，主管道上分多路支管連通干燥器內(nèi)各供熱風罩，各支管均裝有調(diào)節(jié)風閥，用以調(diào)節(jié)各供熱風罩的量［2］。

抽濕風路部分是使用1臺高溫鍋爐引風機作為抽濕風機將干燥過程中經(jīng)過充分的熱交換后的濕熱空氣排出，抽濕風機進風口接入沿干燥線布置的主管道上，主管道上分多路支管連通干燥器內(nèi)各抽濕風罩，各抽濕風罩均裝有調(diào)節(jié)風閥，用以調(diào)節(jié)各風罩的抽濕量;抽濕風機出風口接入一根通入現(xiàn)有煙囪的管道，將濕熱空氣排向煙囪中，在抽濕風機出風口管道上一套電控切斷閥，以防止抽濕風機不工作時煙氣倒流［2］。

1.2.3 干燥裝置主要設(shè)備配置

從表1可以看出，干燥裝置主要設(shè)備總功率為 41.4 kW［3－5］。

表1 干燥裝置主要設(shè)備配置Tab.1 Principal equipment configuration of drying system

2 干燥裝置的熱力設(shè)計與計算

干燥過程的熱力計算主要是計算干燥裝置的熱平衡，為干燥裝置的供熱和抽濕循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計提供依據(jù)。

干燥過程理論熱力計算:

干燥裝置的吸熱項目包括熱空氣帶入的熱量;被蒸發(fā)水帶入的熱量;干燥裝置補充的熱量。

干燥裝置的放熱項目包括廢氣離開干燥裝置帶出的熱量;物料在干燥裝置內(nèi)吸熱;物料輸送設(shè)備在干燥裝置內(nèi)吸熱，當物料輸送設(shè)備由多種材料組成，比熱不同或溫度相差較大時，可分開計算;向外界散熱。根據(jù)吸熱等于放熱，熱平衡方程式按下列公式進行計算［6］。將物料中水分轉(zhuǎn)化成水蒸氣量(V1)，計算如下:

式中:α為氣體熱膨脹系數(shù);t1為物料加熱前的溫度;t2為物料加熱后的溫度;n為入干燥裝置物料含水率;w為每小時需干燥物料的總質(zhì)量。

物料中水分干燥所需熱量(Q1)計算如下:

式中:CH為水的比熱值。

碳酸鈉堿、輸送線物料所需熱量(Q2)計算如下:

式中:C1為碳酸鈉堿的比熱值;C2為輸送線的比熱值;w1為每小時需干燥碳酸鈉堿的總質(zhì)量;w2為每小時需干燥輸送線的總質(zhì)量。

干燥所需總煙氣量(Vy)，干燥所需總熱量(Q)計算如下:

式中:Cy'、Cy″為煙氣出口及入口溫度下煙氣的平均比熱值;ty'、ty″為進出干燥器煙氣溫度;m為干燥裝置熱損失系數(shù)(1.05～1.10)。

所需排出的總廢氣量(Va)計算如下:

式中:Vb為干燥裝置漏氣量。

3 含水碳酸鈉的干燥實驗與性能

3.1 干燥物料及主要參數(shù)

為掌握碳酸鈉的干燥特性，在湖北省輕工設(shè)計院綜合實驗室進行了實驗。采用0～300℃溫控電烘箱干燥，實驗方法如下:制作含水率15%碳酸鈉試樣6份，每份150 g，其中干碳酸鈉128 g，水22 g;將3份試樣分別裝入3個瓷器皿內(nèi)，然后放入設(shè)定溫度150℃溫控電烘箱;將1#試樣烘烤30 min，2#試樣烘烤 60 min，3#試樣烘烤 180 min，每10 min將碳酸鈉試樣攪動1次。

實驗結(jié)果如下:1#試樣基本為散狀形，原色，測試含水率2.5%，24 h后仍無板結(jié)現(xiàn)象;2#試樣基本為散狀形，有小量白色堿粒出現(xiàn)(10%左右)，測試含水率1.5%，24 h后仍無板結(jié)現(xiàn)象;3#試樣完全為散狀形，并有20%左右的粉末，試樣為全白色堿粒及粉末，質(zhì)量有揮發(fā)損耗，損耗量5%左右，24 h后仍無板結(jié)現(xiàn)象。

另將3份試樣分別裝入3個瓷器皿內(nèi)，然后同時放入設(shè)定溫度190，200，210℃溫控電烘箱，1#試樣已為散狀形，基本為原色，測試含水率2%，24 h后仍無板結(jié)現(xiàn)象;2#試樣已為散狀形，有較多白色堿粒出現(xiàn)(50%左右)，測試含水率1.5%，24 h后仍無板結(jié)現(xiàn)象;3#試樣完全為散狀形，并有80%左右的粉末，試樣為全白色堿粒及粉末，質(zhì)量有揮發(fā)損耗，損耗量15%。

通過電烘箱對含水碳酸鈉多次干燥實驗可得出如下結(jié)論:含水碳鈉干燥溫度應(yīng)小于200℃，高于此溫度將會產(chǎn)生較多白色堿粒及粉末，并產(chǎn)生較大損耗;含水碳鈉干燥溫度在150～200℃，干燥30 min左右即能達到產(chǎn)品干燥的水分要求。

3.2 碳酸鈉干燥設(shè)備的干燥曲線

根據(jù)電烘箱的小試實驗，對碳酸鈉干燥設(shè)備進行了設(shè)計，在設(shè)備調(diào)試后，進行干燥實驗，將含水率為20%～50%的碳酸鈉從1 t/h的速度從干燥器入口均勻喂入，干燥熱源溫度為第1級干燥箱調(diào)至180℃，第2級干燥箱調(diào)至140℃，第3級干燥箱調(diào)至120℃，干燥時間40 min，同時調(diào)節(jié)好各抽濕閘閥，保證供給的熱風量與抽出的廢氣量平衡。從圖3可看出，在干燥初期(第1級干燥箱內(nèi))物料濕氣較大，水分迅速揮發(fā)出，當進入干燥中期(第2級干燥箱內(nèi))，物料水分速度開始下降，而進入干燥后期(第3級干燥箱內(nèi))，物料水分已很小，干燥速度已很慢，已至達到干燥要求。

圖3 干燥過程中物料水分及干燥溫度隨時間的變化曲線Fig.3 Change of material moisture content and drying temperature with time during drying process

3.3 干燥裝置測試結(jié)果

該干燥裝置經(jīng)過調(diào)試，運行72 h后，對其進行了測試，測試結(jié)果如下:進入干燥裝置的碳酸鈉含水率25% ～30%，進料量平均1.5 t/h，瞬時最大進料量5 t/h;干燥后測試碳酸鈉含水率最低0.8%，最高1.8%，表觀現(xiàn)象為手抓干燥后產(chǎn)品不可見物理水分及抓緊松開后仍為松散狀，干燥完全達到設(shè)計效果。

抽入廢堿焚燒裝置排放廢煙氣，作為干燥熱源，煙氣溫度140～150℃，使用結(jié)果表明不需另外增加熱源就能完全滿足干燥需要，另外所需煙氣量只要9 dm3/h(廢堿焚燒裝置實際排放廢煙氣量達100 dm3/h以上)，所以并不影響廢堿焚燒裝置的使用，又因干燥后廢氣全部直接排放至排空煙囪中，干燥裝置現(xiàn)場無廢氣廢水溢出，從而達到了環(huán)保節(jié)能的效果。

由于干燥傳輸裝置由變頻器控制其輸送速度，干燥速度無極可調(diào)，實際運行中，測試得到的最快干燥周期達到10 min。

由于本干燥裝置是一套完全自動控制其工作過程，無需人員操作的設(shè)備，在使用該設(shè)備前需要4～5名工人進行操作，且勞動強度大，而現(xiàn)在只需1名工人操作即可;因而能大大節(jié)省人員，降低成本。

4 結(jié)論

a.含水碳酸鈉干燥裝置干燥后含水率小于2%，為散狀粉末形，干燥能力達1～2 t/h。

b.利用工廠廢煙氣作為干燥器的干燥熱源，節(jié)省設(shè)備投資，且節(jié)省了干燥能源成本。

c.由于干燥裝置在其干燥的工作過程中，干燥物料處于完全封閉的狀況中，無任何污染物排出，并節(jié)省人員成本。

［1］朱日彰.高溫腐蝕及耐高溫腐蝕材料［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，1999:130－150.

［2］李維榮.五金手冊［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2002:120－160.

［3］楮瑞卿.建材通用機械與設(shè)備［M］.武漢:武漢理工大學出版社，1996:60 －80.

［4］吳宗澤.機械結(jié)構(gòu)設(shè)計［M］.北京:北京機械工業(yè)出版社，1988:70－75.

［5］汝元功，唐照民.機械設(shè)計手冊［M］.北京:高等教育出版社，1995:230 －250.

［6］陶文銓.數(shù)值傳熱學［M］.西安:西安交通大學出版社，2001:105－106.

Design and analysis of sodium carbonate recycling drying equipment for cyclohexanone production

Li Shugeng
(Cyclohexanone Division，Baling Petrochemical Company，SINOPEC Assets Management Corporation，Yueyang414014)

A new type of drying equipment was designed according to the characteristics of the recycling and utilization of waste sodium carbonate as the by-product of alkali waste burning in cyclohexanone process.The drying process，structure and working principle of the drying equipment were analyzed and calculated.The results showed that the automatic recycling drying equipment for sodium carbonate was consist of drying box，heating air system，dehumidifying system，scattering system and packaging system.The drying curves of sodium carbonate drying equipment were obtained through the drying experiment using a temperaturecontrol electric oven.The drying capacity of this system reached 1－2 t/h and the moisture content of sodium carbonate was below 2%after drying.The system saved the drying cost without environment pollution by using process gas waste as the heat resouce.This equipment had the advantages of high drying capacity，high thermal efficiency，low energy consumption and good regulation performance，which successfully resolved the problem of alkali waste treatment in cyclohexanone industry.

cyclohexanone;sodium carbonate;drying equipment;design

TQ342.2

A

1001-0041(2012)05-0056-04

2012-06-12;修改稿收到日期:2012-09-20。

黎樹根(1966—)，男，高級工程師，主要從事環(huán)己酮技術(shù)開發(fā)管理工作。E-mail:yh02jk@163.com。