王樹江 王飛揚 唐明電 邢景梅 賀建文

(長春工業(yè)大學化工學院)

1 實驗研究提供的設計依據(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 工藝及設備設計

2.1 工藝流程

根據(jù)實驗研究的工藝，設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氣液分離器(結(jié)構(gòu)與旋風分離器相似)，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 工藝及設備設計中重點環(huán)節(jié)

2.2.1工藝流程中供氣方式的設計

文獻中多采用單一的鼓風機進氣或尾部加引風機的形式[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(負壓)過高。正壓過大會造成設備壓力負荷過大，能耗較高；負壓過高，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。當兩者協(xié)調(diào)至較佳狀態(tài)時，設備內(nèi)的壓力接近常壓，減小了設備運行的壓力負荷。

2.2.2洗滌管內(nèi)隔板和噴嘴分布的設計

設備設計中洗滌管的設計主要依據(jù)實驗數(shù)據(jù)，洗滌液的噴射高度最高時達到1.3m左右，為適應更大操作彈性，將洗滌管的高度H設計為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計。在洗滌管中部(實驗中泡沫區(qū)出現(xiàn)的位置)設置隔板(圖2 所示)，共設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，對應設置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，設計中在洗滌管底部設置二次混合器(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)的液面上方必須預留相當大的分離空間，儲罐需有較大的體積，造成設備體積龐大，增加設備投資；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)氣液分離設備的弊端，筆者設計了圖8所示的氣液分離設備，具體結(jié)構(gòu)與旋風分離器相似。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 新設計的氣液分離設備結(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。總水溶液量為M，溶液中丙酮濃度為Cb，實際精餾操作回收率98%。空氣中丙酮回收率低濃度(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，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)工藝及設備進行了設計。在洗滌管泡沫區(qū)段設置了隔板，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分液器，達到旋氣分液的作用，減小氣液分離器的負擔；采用鼓風機和真空泵協(xié)調(diào)供氣，減小了設備的壓力負荷和洗滌管內(nèi)的壓降損失。設計中每一環(huán)節(jié)都是以提高傳質(zhì)效率為目標，設備投入生產(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。

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