氮氣循環(huán)活氣法蒸餾松脂過程設(shè)計

侯文彪，陳小鵬，車錦楷，李 前，李 偉，周 龍昌

（1.廣西梧州林產(chǎn)化工股份有限公司，廣西 梧州 543100；2.廣西大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，廣西 南寧 530004；

3.廣西石化資源加工及過程強化技術(shù)重點實驗室，廣西 南寧 530004）

換熱器管材料選用不銹鋼1Cr18Ni9Ti管，其導(dǎo)熱系數(shù)λ為17.4 W·(m·℃)-1，厚度δ取2.5mm，即0.0025m，則總傳熱系數(shù)為：

化工設(shè)計

氮氣循環(huán)活氣法蒸餾松脂過程設(shè)計

侯文彪1，陳小鵬2,3，車錦楷2，李 前1，李 偉2，周 龍昌2

（1.廣西梧州林產(chǎn)化工股份有限公司，廣西 梧州 543100；2.廣西大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，廣西 南寧 530004；

3.廣西石化資源加工及過程強化技術(shù)重點實驗室，廣西 南寧 530004）

本文采用氮氣循環(huán)活氣法進行年產(chǎn)2萬t松香蒸餾過程設(shè)計，其中包含物料衡算、熱量衡算、氮氣活氣量和設(shè)備計算。結(jié)果表明，松脂蒸餾工序的松脂物料總流量為4323.2kg·h-1，氮氣活氣量為841.3kg·h-1，氮氣采用鍋爐煙道氣進行預(yù)熱為250℃，預(yù)熱器的換熱面積為40.67m2；供熱總熱量為1799507kJ·h-1，木柴量為131.1kg·h-1。應(yīng)用氮氣循環(huán)活氣法蒸餾松脂比過熱水蒸氣活氣法節(jié)能96%，而且減省了油水分離器、鹽濾器，也不需要建造大型過熱水蒸氣鍋爐。氮氣循環(huán)活氣法蒸餾松脂所得的產(chǎn)品不含水分，松香無結(jié)晶現(xiàn)象，松節(jié)油透明無渾濁，同時克服了過熱水蒸氣活氣法排放含松 節(jié)油廢水、廢氣和工業(yè)廢鹽的缺 點，是一種清潔的生產(chǎn)方法。

松脂；松香；松節(jié)油；蒸餾；過程設(shè)計

松脂蒸餾是整個松香松節(jié)油生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵工序，它決定了松脂加工能耗的高低，以及松香產(chǎn)品質(zhì)量的重要指標(biāo)——色澤、軟化點和結(jié)晶現(xiàn)象的優(yōu)劣[1]。松脂蒸餾傳統(tǒng)生產(chǎn)方法有滴水法和水蒸氣法[2-8]。水蒸氣法是將凈松脂液送入蒸餾器內(nèi)，用間接水蒸氣（閉氣）加熱、直接水蒸氣（活氣）解吸蒸出松節(jié)油。活氣一般采用 300～400℃的過熱水蒸氣，其作用一方面是降低系統(tǒng)中松節(jié)油的蒸氣分壓，從而降低松脂泡點溫度，使蒸出組分更易逸出，即起到解吸的作用。從松脂蒸餾器出來的水和松節(jié)油的混合蒸氣經(jīng)冷凝冷卻、油水分離、鹽濾等工序，即可得到松節(jié)油。陳小鵬等[9]開發(fā)了一種CO2或氮氣循環(huán)活氣法蒸餾松脂新工藝，比傳統(tǒng)水蒸氣法節(jié)能節(jié)水96%，不需要油水分離、鹽濾工序和建造大型過熱鍋爐，而且氮氣循環(huán)活氣法蒸餾松脂所得產(chǎn)品不含水分，松香無結(jié)晶現(xiàn)象，松節(jié)油透明無渾濁，無蒸餾廢水、廢氣和廢鹽排放，是一種節(jié)能減排的清潔生產(chǎn)方法。為了盡快把氮氣循環(huán)活氣法蒸餾松脂新工藝應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，本文對氮氣循環(huán)法年產(chǎn)2萬t松香蒸餾過程進行了設(shè)計計算。

1 設(shè)計依據(jù)

以年產(chǎn)2萬t松香（含殘留2%松節(jié)油）為設(shè)計依據(jù)，考慮到生產(chǎn)受季節(jié)以及定期檢修等影響，按一年生產(chǎn)300d計算。熔解、澄清和蒸餾工序的損耗（以產(chǎn)品松香凈重為基準(zhǔn)）如表1所示。

表1 松脂生產(chǎn)過程各工序損耗表Table 1 The loss in each process of resin production

2 物料衡算

根據(jù)生產(chǎn)實際損耗，由澄清工序送來的物料凈松脂含有松香2731.2kg·h-1、松節(jié)油1570.4 kg·h-1、水分21.6 kg·h-1，共4323.2 kg·h-1。一級蒸餾釜中蒸出的優(yōu)油占松節(jié)油總油量的55%，二級蒸餾釜蒸出的中油占總油量的35%，重油占總油量的10%，松香中殘留2%的松節(jié)油。蒸餾過程有0.26%的松香隨松節(jié)油重油蒸發(fā)損失，水分在一級蒸餾釜中隨松節(jié)油全部蒸出。則凈松香量為：2731.2×(100%-0.26%)=2724kg·h-1，含油松香量為：2724÷(100%-2%)=2780kg·h-1，凈松節(jié)油總產(chǎn)量為：1570.4-2780×2%=1514.4kg·h-1。

2.1 一級蒸餾釜進料

一級蒸餾釜進料量組成包括：松香2731.2kg·h-1，松節(jié)油1570.4kg·h-1，水分21.6kg·h-1。

2.2 一級蒸餾釜出料

在一級蒸餾釜中，55%的松節(jié)油被蒸出，經(jīng)冷凝器冷凝后送至優(yōu)油中間貯罐，則蒸出的優(yōu)油為：1514.4×55%=833.0kg·h-1，送至二級蒸餾釜物料組成包括：松香2731.2kg·h-1，松節(jié)油1570.4-833.0=737.4kg·h-1。

2.3 二級蒸餾釜出料

在二級蒸餾釜中，35%的松節(jié)油中油從塔頂蒸出作為熔解松脂用，剩下10%為松節(jié)油重油。則蒸出的中油為：1514.4×35%=530.0kg·h-1，蒸出的重油為：1514.4×10%+2731.2×0.26%=158.6kg·h-1，塔底放出的松香為：2724÷(100%-2%)=2780kg·h-1。蒸餾工序物料衡算結(jié)果如表2所示。

表2 蒸餾工序物料衡算表 /kg·h-1Table 2 The table for materiel balance of distilled section

3 熱量衡算

由澄清工序送來的物料經(jīng)預(yù)熱溫度達125℃，包括松香2731.2kg·h-1、松節(jié)油1570.4kg·h-1、水分21.6kg·h-1，其中松香比熱2.26kJ·(kg·℃)-1，熔融熱66.04kJ·kg-1；松節(jié)油平均氣化潛熱310kJ·kg-1，比熱1.3kJ·(kg·℃)-1；水的比熱為4.18kJ·(kg·℃)-1，125℃時氣化熱為2193.1kJ·kg-1。設(shè)蒸餾壓力為40.0kPa即真空度為61.33kPa，此時取松節(jié)油沸點為140℃。

3.1 澄清工序送來物料帶入的熱量

3.2 一級蒸餾釜蒸出油和水帶走的熱量

由于是減壓蒸餾，設(shè)剩余的少量水分在125℃時即蒸發(fā)，則水分帶走的熱量為：

松節(jié)油加熱至140℃時蒸出833.1 kg·h-1，帶走的熱量為：

3.3 二級蒸餾釜出料帶走的熱量

減壓下中油蒸出平均溫度約為165℃，重油蒸出平均溫度為182℃，放香溫度190℃，則在165℃時蒸出的中油帶走的熱量為：

182℃時蒸出的重油帶走的熱量為：

190℃時放香帶走的熱量為：

3.4 熱損失

蒸餾過程熱損失按原料熱量3%算，則熱損失為：

3.5 需供給的熱量

蒸餾工序熱量衡算結(jié)果如表3所示。

4 氮氣活氣量

氮氣流量按解吸量按式（1）計算：

其中p油由式（2）計算：

表3 蒸餾工序熱量衡算表 /kJ·h-1Table 3 The table for heat balance of distill section

4.1 解吸優(yōu)油所需氮氣量

優(yōu)油蒸出量為833.1kg·h-1，松香分子量為302，優(yōu)油分子量為139.4，含油率為36.5%，140℃時優(yōu)油蒸汽壓為60.0kPa，由式（2）得：

由式（1）得：

本階段氣化效率取0.9，則氮氣活氣實際需要量為：33.79÷0.9=37.54 kg·h-1。

在140℃時氮氣的密度為0.801g·m-3[15]，則氮氣活氣的體積流量為：37.54÷0.801=46.87 m3·h-1。

4.2 解吸中油所需氮氣量

中油蒸出量為530.2kg·h-1，松香分子量為302，中油分子量為163 .2，含油率為21.3%，165℃時中油按含40% 的α-蒎烯查得蒸氣壓為72.0kPa，由式（2）得：

本階段氣化效率取0.85，則氮氣活氣實際需要量為：60.52÷0.85=71.20 kg·h-1。

在165℃時氮氣的密度為0.763kg·m-3，則氮氣活氣的體積流量為：71.20÷0.763 =93.32 m3·h-1。

4.3 解吸重油所需氮氣量

重油蒸出量為158.7kg·h-1，松香分子量為302，重油分子量為200，含油率5.5%，190℃時中油按含長葉烯查得蒸氣壓為18.1kPa，由式（2）得：

本階段氣化效率取0.8，則氮氣活氣實際需要量為：586.1÷0.8=732.6kg·h-1。

在165℃時氮氣的密度為0.715kg·m-3，則氮氣活氣的體積流量為：732.6÷0.715=1024.62 m3·h-1。

整個蒸餾過程需要氮氣活氣量為：

GN2=37.54+ 71.20+732.6=841.3 kg·h-1

5 鍋爐燃料量

5.1 氮氣活氣帶入的熱量

通過松脂蒸餾釜的氮氣活氣溫度為250℃，流出松脂蒸餾釜的氮氣活氣的平均溫度為180℃，氮氣比熱容為1.047 kJ·(kg·℃)-1，則氮氣活氣帶入的熱量為：

5.2 閉氣提供的熱量

從表3可見，蒸餾工序需供給的熱量為1014287.5kJ·h-1，而活氣氮氣所能帶入的顯熱熱量僅為61659kJ·h-1，因此松脂蒸餾所需供給的大部分熱量是由水蒸氣（閉氣）供給。蒸餾的前半程約80%的熱量用0.8MPa、170.4℃的飽和水蒸氣供給，水蒸氣釋放潛熱后冷凝為同溫度的熱水，該條件下水蒸氣汽化潛熱為2052.7kJ·kg-1；后半程20%的熱量用0.8MPa、350℃的過熱水蒸氣供給，平均比熱為3.1251.047kJ·(kg·℃)-1，后半程放出的過熱水蒸氣溫度為200℃。前半程飽和水蒸氣用量為：

后半程過熱水蒸氣用量為：

5.3 鍋爐燃料量

松脂加工過程90%以上的水蒸氣消耗在蒸餾工序，而后半程蒸餾閉氣所用的水蒸氣從閉氣管出來時溫度仍然有200℃，可繼續(xù)用于蒸餾前半程和其他工序。在0.8MPa時水的沸點為170.4℃，水蒸氣從170.4℃加熱到350℃平均比熱為1.95 kJ·(kg·℃)-1，則鍋爐加熱所需總熱量為：

為了減少SO2和粉塵的排放，鍋爐由煤改用木柴作為燃料，木柴熱值[10]C木（按文獻含水分6%計算）約為17163kJ·kg-1，鍋爐燃燒效率η為0.8，則所需木柴量為：

若采用過熱水蒸氣作活氣，則需增加的汽化熱為：841.3×2052.7=1726937 kJ·h-1。

由此可見，采用氮氣循環(huán)活氣法比過熱水蒸氣法節(jié)能(1726937÷1799507)×100%=96%。

6 鍋爐煙道氣量

燃料所用木柴是由大量的有機物和少量的無機物所組成。烘干木柴各元素平均含量[12]約為：C 50%，H 6.4%，O 42.6%，N 1%。木柴燃燒理論上炭生成CO2，氫生成H2O，空氣中氧氣體積分?jǐn)?shù)為21%，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為23.3%，則1kg木柴燃燒時理論上需要的空氣量為：

為了保證燃料最大程度完全燃燒，燃燒時所需的實際空氣量要比理論上的空氣量多，其比值稱為過剩空氣系數(shù)α。過剩空氣系數(shù)太小，燃料燃燒不完全，浪費燃料，甚至?xí)斐啥稳紵?；過剩空氣系數(shù)太大，入爐空氣太多，爐膛溫度下降 ，傳熱不好，煙道氣量多，帶走熱量多，也浪費燃料。綜合考慮過?？諝庀禂?shù)α取1.4，則實際空氣量為：7.92×1.4=11.09kg·(kg木柴)-1。

1kg木柴燃燒產(chǎn)生煙氣量為：1+11.09=12.09 kg·(kg木柴)-1，木柴量為131.1kg·h-1，則煙道氣總流量為：G煙氣=12.09×131.1=1585 kg·h-1。

7 氮氣預(yù)熱器計算

設(shè)氮氣預(yù)熱前溫度為25℃，預(yù)熱到250℃，煙道氣進入氮氣預(yù)熱器的溫度為350℃，比熱容[11]為1.11 kJ·(kg·℃)-1，則換熱器的熱負荷為：

根據(jù)能量守恒可求得預(yù)熱器出口煙道氣的溫度為：

換熱方式采用逆流傳熱，則平均傳熱推動力為：

查管殼式熱交換器系列標(biāo)準(zhǔn)，選擇換熱管為Ф19mm，管心距為25mm，公稱直徑DN為700mm，公稱壓力為0.60MPa，管子根數(shù)為174，管程流通面積為0.0307m2的換熱器。

選擇氮氣走殼程，煙道氣走管程換熱方式。殼程一般設(shè)置有折流擋板，這樣流體經(jīng)過殼程時流向不斷變化，湍流得到增強。氮氣走殼程，當(dāng)Re＞2000時，使用25%圓缺形擋板時殼程的氮氣給熱系數(shù)按經(jīng)驗式[15]：

查得氮氣[13]在平均溫度tm=(25+250)÷2=137.5℃時，密度ρ=1.2507kg·m-3，黏度μ=0.0229mPa·s，平均導(dǎo)熱系數(shù)λ為0.033W·(m·℃)-1。流速按最大流動截面計算，流動截面積為：

氮氣體積流量為：

氮氣流速為：

氮氣給熱系數(shù)為：

煙道氣[14]平均溫度tm=（350+225）÷2=287.5℃時，平均導(dǎo)熱系數(shù)λ為0.038W·(m·℃)-1，平均比熱容為1.086 kJ·(kg·℃)-1，密度ρ=0.872kg·m-3，黏度μ=0.0251mPa·s。管程煙道氣給熱系數(shù)按圓形直管強制湍流的給熱系數(shù)經(jīng)驗式計算：

流體被加熱時b=0.4，被冷卻時b=0.3。

煙道氣流量為：煙道氣流速為：

煙道氣給熱系數(shù)為：

換熱器管材料選用不銹鋼1Cr18Ni9Ti管，其導(dǎo)熱系數(shù)λ為17.4 W·(m·℃)-1，厚度δ取2.5mm，即0.0025m，則總傳熱系數(shù)為：

由換熱量Q=KAΔtm，可得氮氣預(yù)熱器換熱面積為：

查換熱管為Ф19mm，管心距25mm，公稱直徑DN 700mm，公稱壓力0.60MPa，管子根數(shù)為174，管程流通面積0.0307m2，換熱管長度4500mm的換熱器的換熱面積為45.7m2，與假設(shè)算出來的40.67m2相差不大，且假設(shè)計算出來所需的換熱面積比查出來的標(biāo)準(zhǔn)面積略小，所以選擇該型號的換熱器可以滿足換熱需求。

8 過程流程設(shè)計

本設(shè)計是在企業(yè)原有過熱水蒸氣法生產(chǎn)基礎(chǔ)上技術(shù)改造為氮氣循環(huán)活氣法蒸餾工序，具體過程流程如圖1所示。

圖1 N2循環(huán)活氣法蒸餾松脂過程流程圖Fig.1 Flow diagram for distillation of oleoresin with circulating N2

由圖1可見，氮氣循環(huán)活氣法蒸餾松脂不需松節(jié)油油水分離器和鹽濾器，過程流程是全封閉的循環(huán)清潔生產(chǎn)過程。所采用的氮氣為含量98.5%左右的工業(yè)氮氣，其中含有的微量氧氣對松香顏色有些影響，但由于氮氣在蒸餾系統(tǒng)中是循環(huán)使用，當(dāng)蒸餾循環(huán)1～2批物料后，則原工業(yè)氮氣中含有的微量氧氣已消耗殆盡。

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Process Design of Oleoresin Distillation by Circulating Nitrogen Method

HOU Wenbiao1, CHEN Xiaopeng2,3, CHE Jinjie2, LI Qian1, LI Wei2, ZHOU Longchang2
(1.Wuzhou Sunshine Forestry and Chemicals Co. Ltd., Wuzhou 543100, China; 2.School of Chemistry and Chemical Engineering, Guangxi University, Nanning 530004, China; 3.Guangxi Key Laboratory of Petrochemical Resources Proce ssing and Process Intensifi cation Technology, Nanning 530004, China)

The process of output 20000 tons of rosin annual was designed by circulating nitrogen method, which includeed the material balance, thermal balance, amount of circulating nitrogen and equipment in oleoresin distillation process. The results indicated: the mass fl ow rate of oleoresin, circulating nitrogen and fi rewood were 4323.2kg/h, 841.3kg/h and 131.1kg/h, respectively. Before being used, nitrogen gas was preheated by the stack gas of boiler. The temperature, he at exchange area and total heat were 250℃, 40.67m2and 1799507kJ/h, respectively. Compared with direct steam method, the energy consumptions by circulating nitrogen method were decreased 96%. The oil-water separator, salt fi lter and large boiler for producing overheated steam were no longer necessa ry. Water was not contaminated in products manufactured, the rosin showed no crystallinity and turpentine was transparent without turbidity by this method. In addition, the circulating nitrogen method overcame the shortcoming of producing “three wastes” for traditional steam distillation, which was a kind of cleaner production process.

oleoresin; rosin; turpentine; distillation; process design

TQ 351.47+1

B

1671-9905(2016)11-0039-06

國家自然科學(xué)基金資助項目（21566002，21466002）；廣西科技攻關(guān)項目（桂科轉(zhuǎn)14122008-5）

陳小鵬（1954-），男，廣西北海人，教授，博士研究生導(dǎo)師。E-mail：lilm@gxu.edu.cn

2016-09-21