動力波清洗法回收空氣中丙酮的工藝及設(shè)備設(shè)計*

王樹江 王飛揚 唐明電 邢景梅 賀建文

(長春工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院)

1 實驗研究提供的設(shè)計依據(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，通過對動力波實驗裝置的流體力學(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)計回收丙酮氣體的動力波生產(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

2.1 工藝流程

根據(jù)實驗研究的工藝，設(shè)計的動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，進氣口可設(shè)置多個。離心泵將洗水儲罐內(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)某處達到動量平衡，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)此混合器二次湍動混合，使得氣液兩相的接觸更充分，進一步提高傳質(zhì)效率。

從混合器出來的氣液混合物經(jīng)管道進入洗水儲罐上方的旋風(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罐連接，洗水經(jīng)管道流入儲罐循環(huán)使用，也可直接進入精餾儲料罐。

2.2 工藝及設(shè)備設(shè)計中重點環(huán)節(jié)

2.2.1工藝流程中供氣方式的設(shè)計

文獻中多采用單一的鼓風(fēng)機進氣或尾部加引風(fēng)機的形式[3，8，10]，該進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。

實驗時已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，同時使用鼓風(fēng)機進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氣方式要小得多。當(dāng)兩者協(xié)調(diào)至較佳狀態(tài)時，設(shè)備內(nèi)的壓力接近常壓，減小了設(shè)備運行的壓力負(fù)荷。

2.2.2洗滌管內(nèi)隔板和噴嘴分布的設(shè)計

設(shè)備設(shè)計中洗滌管的設(shè)計主要依據(jù)實驗數(shù)據(jù)，洗滌液的噴射高度最高時達到1.3m左右，為適應(yīng)更大操作彈性，將洗滌管的高度H設(shè)計為1.50m。然后依據(jù)處理量計算內(nèi)徑Di，再依據(jù)壓力變化計算洗滌管壁厚，最后進行強度校核[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，達到實驗室研究的效果，對洗滌管內(nèi)部和噴嘴分布進行設(shè)計。在洗滌管中部(實驗中泡沫區(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，運行時，氣液兩相在隔板劃分的空間內(nèi)形成湍動泡沫區(qū)，由于隔板的作用，氣液在各自區(qū)域內(nèi)湍動更為劇烈，促進傳質(zhì)效果。實驗中泡沫區(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)整時可隨時從洗滌管頂部取出。

圖2 洗滌管內(nèi)部隔板示意圖

隔板將洗滌管分成3個區(qū)域，在洗滌管底部，對應(yīng)設(shè)置3個相同結(jié)構(gòu)及尺寸的噴嘴(圖3)，3個噴嘴中心連線成正三角形(圖4)。一個噴嘴對應(yīng)一個區(qū)域，確保運行時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，可能會造成瞬時偏流或短路，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

通常動力波清洗法洗滌過程只在泡沫區(qū)內(nèi)進行，在泡沫區(qū)下方同向流動的氣液兩相不會產(chǎn)生或僅有微量的傳質(zhì)過程。為進一步強化傳質(zhì)作用，設(shè)計中在洗滌管底部設(shè)置二次混合器(用電機帶動攪拌槳)，使同向流動的氣液兩相在混合器內(nèi)實現(xiàn)二次湍動接觸，加強傳質(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，采用電機帶動，安裝形式是電機轉(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

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)管道直接進入循環(huán)液儲罐，氣液混合物在儲罐內(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，也仍會有液沫夾帶；為了使氣液兩相分離較為充分，循環(huán)液儲罐內(nèi)的液面上方必須預(yù)留相當(dāng)大的分離空間，儲罐需有較大的體積，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)，由于進入儲罐的氣體流速較快，加上儲罐內(nèi)循環(huán)液表面積過大(等于儲罐截面積)，當(dāng)溶液內(nèi)溶質(zhì)的濃度達到一定程度后，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。實驗時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，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入旋風(fēng)分液器，氣液兩相在分離器內(nèi)實現(xiàn)有效分離。分離后的氣體經(jīng)分離器的上部出口進入除沫器，使氣體進一步得到脫液，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)液儲罐，或由放出口送至精餾儲罐。

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

3 生產(chǎn)運行

表1是車間某日3班處理3.4t聚醚酮原料的設(shè)備運行記錄，其中丙酮回收量按實際精餾操作回收率推算出來的?？偹芤毫繛镸，溶液中丙酮濃度為Cb，實際精餾操作回收率98%?？諝庵斜厥章实蜐舛?含量不大于15g/m3)按98%計算，高濃度按95%計算?；厥樟縂=M×Cb×98%。表1中空氣中丙酮濃度平均值是因其實際濃度變化較大，取多次測量值的平均值。

表1 動力波回收設(shè)備運行記錄表(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，清洗水還會循環(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下運行。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，降低精餾時的能耗。

4 結(jié)束語

以實驗的過程和數(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)備進行了設(shè)計。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程度；噴液口由3個噴嘴組成，提高了液相噴出時的分散程度；洗滌管底部設(shè)置二次混合器，使氣液兩相再次湍動混合；從洗滌管出來的氣液混合物以切線的方式進入旋風(fēng)分液器，達到旋氣分液的作用，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，運行穩(wěn)定，操作費用低，管理便利，每年可從空氣中回收丙酮四十多噸。

[1] 王樹江.聚醚醚酮精制工藝及設(shè)備的設(shè)計與運行[J].化學(xué)工程，2012，40(2)：70～73.

[2] 王樹江，張洪剛，汪星全.聚醚酮新型精制工藝的研究[J].現(xiàn)代化工，2012，37(7)：88～91.

[3] 李秋萍，程建偉，邵國興.噴淋洗滌塔、液柱塔及動力波洗滌器[J].化工裝備技術(shù)，2008，29(3)：1～5.

[4] 單力勇，任艷麗，劉彥.板式塔與填料塔在藥用丙酮回收中的比較[J].黑龍江醫(yī)藥，2004，17(3)：209～300.

[5] 廉磊，高前進，江燕斌.雜質(zhì)對丙酮-水吸收過程傳質(zhì)效率的影響[J].化學(xué)工程，2013，41(3)：25～28.

[6] Reza BARATI，Sjad RAHIMI，Gholam Hossein AKBARI. Analysis of Dynamic Wave Model for Flood Routing in Natural Rivers[J]. Water Science and Engineenng，2012，5(3)：243～250.

[7] 占旺兵，李秋萍，程建偉，等.動力波洗滌器中堿液吸收低濃CO2的傳質(zhì)特性[J].化學(xué)工程，2012，40(2)：33～37.

[8] 占旺兵，李秋萍，邵國興，等. 動力波洗滌技術(shù)研究及工業(yè)應(yīng)用進展[J].化工進展，2010，29(z)：12～15.

[9] 李群生，李秀梅. 動力波吸收機的工作機理研究及其應(yīng)用[J].化學(xué)工程，2004，24(1)：37～39.

[10] 邵國興.帶混合元件的動力波洗滌器[J].硫酸工業(yè)，1999，(2)：7～9.

[11] 董大勤.化工設(shè)備機械基礎(chǔ)[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

[12] 董紅偉，馬慧明，李大江,等. 動力波噴頭和螺旋噴頭的洗滌脫硫性能對比水[J].煉油技術(shù)與工程，2006，36(12)：32～35.