制藥工藝尾氣中丙酮的膜法回收

趙明明(山東新華醫(yī)藥化工設計有限公司，山東 淄博 255000)

0 引言

丙酮，又名二甲基(甲)酮、阿西通，是一種無色透明的易流動流體，有芳香氣味，沸點56.5 ℃，20 ℃下的飽和蒸汽壓為24 kPa，極易揮發(fā)，高度易燃，對眼造成嚴重的刺激，可引起昏昏欲睡或眩暈，蒸汽與空氣混合，能形成爆炸性混合物。丙酮與水混溶，可混溶于乙醇、乙醚、氯仿、油類、烴類等多數(shù)有機溶劑，為基本的有機原料和低沸點溶劑[1]。在制藥企業(yè)中，丙酮作為溶劑被廣泛應用，使用過程中產(chǎn)生大量含丙酮尾氣，尾氣中的丙酮具有很大的回收價值。

1 工藝尾氣處理方法

《制藥工業(yè)大氣污染物排放標準》[2]對于排放大氣的TVOC含量具有限值要求，對于非重點地區(qū)的TVOC排放限值為150 mg/m3，重點地區(qū)的TVOC排放限值為100 mg/m3，丙酮作為揮發(fā)性有機物，必須進行處理。常見的尾氣處理方法有催化焚燒法、吸附法、深冷法、吸收法、光電催化氧化法、膜分離法等[3]。

催化燃燒方法是直接燃燒法的升級，將預熱的工藝尾氣通入負載貴金屬催化劑的反應器床層，使有機物分解為二氧化碳和水。該煙氣通過換熱器與新鮮的工藝尾氣換熱，預熱后的工藝尾氣再進入反應器床層進行催化焚燒，同時也降低了煙氣的排放溫度。該方法設備操作簡單，運行費用低，無焰氧化分解廢氣中的有機物，可以做到本質安全；但設備一次性投資較高，若尾氣成分復雜的話，還易造成催化劑中毒失活，另外該方法也無法實現(xiàn)丙酮的回收[4-5]。吸附法一般以活性炭為吸附劑，需要二次脫附和再處理后得到丙酮；深冷法能耗高、投資大、運行成本高；吸收法一般以水為吸收劑，吸收后的丙酮水溶液需要再進行分離處理，回收得到丙酮；光電催化氧化法消耗電能，將丙酮分解為二氧化碳和水排放，同樣無法回收丙酮。

膜分離法安全性好、運行費用低、工藝簡單、回收效果好、無二次污染，可謂是一種“綠色高新技術”。該制藥企業(yè)最終選擇采用膜分離法來回收含丙酮尾氣中的丙酮。

2 膜分離法應用

2.1 膜分離法原理

膜分離法的核心在于膜組件，卷式膜組件由中心管、導流網(wǎng)、膜、隔網(wǎng)等組成，膜對于丙酮分子和空氣分子具有不同的選擇透過性，丙酮尾氣在膜內(nèi)外壓差的作用下，丙酮分子優(yōu)先通過膜并富集在一側，空氣分子被截留在另一側富集，從而實現(xiàn)丙酮和空氣的物理分離，使得丙酮被回收利用，空氣中丙酮含量大大降低，進一步處理后排放。

2.2 工藝說明

如圖1所示，丙酮尾氣匯集后，先經(jīng)絲網(wǎng)除霧器除去尾氣中可能夾帶的微量水分，再經(jīng)膜前冷凝器進一步冷凝水分或者過高含量的丙酮后進入膜前緩沖罐，當膜前緩沖罐壓力達到設定的高限值時，真空泵啟動，丙酮尾氣進入膜法回收丙酮設備撬塊，富集的丙酮氣體經(jīng)過真空泵進入真空泵后冷凝器冷凝，丙酮凝液進入丙酮回收罐收集，收集后的丙酮通過丙酮轉料泵打至丙酮用點，未冷凝的丙酮氣體重新返回膜前緩沖罐，回收丙酮后的尾氣匯入車間尾氣排放總管集中進入光電催化氧化系統(tǒng)處理達標后排放。當膜前緩沖罐壓力低于設定的低限值時，真空泵停止運行。整個過程的運行通過膜前緩沖罐上的壓力自動控制。

圖1 工藝流程簡圖

2.3 主要設備選型

根據(jù)現(xiàn)場實際情況，丙酮尾氣瞬時最大量能達到200 m3/h，以此最大量作為計算及選型依據(jù)。

分離膜選用丙酮分離膜，優(yōu)先選擇透過丙酮分子，膜法回收丙酮設備撬塊通量200 m3/h，膜組件選用4支卷式膜組件，在撬塊上預留接口，可以根據(jù)丙酮尾氣量的變化添加膜組件，外殼及接管材質為S30408不銹鋼材質。

膜前緩沖罐主要是防止丙酮尾氣中的霧狀液滴進入膜組件，在膜的表面出現(xiàn)液化現(xiàn)象，造成膜暫時失效，影響膜的正常使用。尾氣停留時間選取9 s，則膜前緩沖罐的計算容積為200×9/3 600=0.5 m3，實際容積按照1 m3進行選型設計，選用立式罐，材質為S30408不銹鋼材質。

真空泵選用雙螺桿干式真空泵，極限真空≤5 Pa，抽氣量根據(jù)膜組件數(shù)量選取，每個膜組件按照100 m3/h的抽氣量考慮，則真空泵的設計抽氣量為400 m3/h，真空泵電機的防爆等級不低于dIIBT4。真空泵后丙酮氣體冷凝器的換熱面積根據(jù)膜組件數(shù)量選取，每個膜組件按照需要5 m2的冷凝面積考慮，則冷凝器的換熱面積為20 m2。冷凝器選用臥式管殼式冷凝器，物料走管程，材質為S30408不銹鋼材質。

丙酮回收罐可滿足一天的丙酮回收量即可，每天的丙酮回收量約為437 kg，因此丙酮回收罐的容積定為1 m3，罐選用立式罐，材質為S30408不銹鋼材質。

涉及的工藝管道也都選用S30408不銹鋼材質，墊片均選用聚四氟乙烯材質的非金屬平墊片。

2.4 回收效果

根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程換算得到丙酮飽和尾氣中丙酮質量濃度的計算公式為：

式中：C理代表丙酮的質量濃度(g/m3)；P代表丙酮在溫度T下的飽和蒸汽壓(絕壓，Pa)；M代表丙酮的摩爾質量(g/mol)；R代表摩爾氣體常數(shù)J/(mol·K)；T代表溫度(K)。

現(xiàn)場丙酮尾氣實際濃度由飽和濃度乘上經(jīng)驗系數(shù)確定，即C實=C理×η，溫度T取298.15 K，查得此溫度下丙酮的飽和蒸汽壓P為30 700 Pa，丙酮的摩爾質量M為58.08 g/mol，R為8.314 J/(mol·K)，η取 0.4，將上述數(shù)據(jù)代入公式得到C實=ηPM/RT= 0.4×30 700×58.08/(8.314×298.15)=287.73 g/m3。

膜法回收丙酮的回收率能保證在95%以上，每天按8 h計，則每天回收的丙酮量Md=0.95×8×QC實=0.95×8×200×287.73≈437 kg/d，一年按330 d計，則每年的丙酮回收量My=437×330=144 210 kg，丙酮價格按照7元/kg計算，則每年可回收丙酮的價值約為100萬元。

3 結語

通過以上分析可以看出，丙酮尾氣具有很大的回收價值，膜分離法對于尾氣中的丙酮具有很好的回收效果，節(jié)約了資源，變廢為寶，具有很好的經(jīng)濟效益。膜分離法綠色、無二次污染，值得推廣應用。