趙明明(山東新華醫(yī)藥化工設(shè)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(yán)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(jī)溶劑，為基本的有機(jī)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(yīng)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(biāo)準(zhǔn)》[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(jī)物，必須進(jìn)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(yù)熱的工藝尾氣通入負(fù)載貴金屬催化劑的反應(yīng)器床層，使有機(jī)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(yù)熱后的工藝尾氣再進(jìn)入反應(yīng)器床層進(jìn)行催化焚燒，同時也降低了煙氣的排放溫度。該方法設(shè)備操作簡單，運行費用低，無焰氧化分解廢氣中的有機(jī)物，可以做到本質(zhì)安全；但設(shè)備一次性投資較高，若尾氣成分復(fù)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(jìn)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(shù)”。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(yīng)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(dǎo)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(cè)，空氣分子被截留在另一側(cè)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(jìn)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(jìn)一步冷凝水分或者過高含量的丙酮后進(jìn)入膜前緩沖罐，當(dāng)膜前緩沖罐壓力達(dá)到設(shè)定的高限值時，真空泵啟動，丙酮尾氣進(jìn)入膜法回收丙酮設(shè)備撬塊，富集的丙酮氣體經(jīng)過真空泵進(jìn)入真空泵后冷凝器冷凝，丙酮凝液進(jìn)入丙酮回收罐收集，收集后的丙酮通過丙酮轉(zhuǎn)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(jìn)入光電催化氧化系統(tǒng)處理達(dá)標(biāo)后排放。當(dāng)膜前緩沖罐壓力低于設(shè)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(shè)備選型

根據(jù)現(xiàn)場實際情況，丙酮尾氣瞬時最大量能達(dá)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(shè)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(yù)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(zhì)為S30408不銹鋼材質(zhì)。

膜前緩沖罐主要是防止丙酮尾氣中的霧狀液滴進(jìn)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(jìn)行選型設(shè)計，選用立式罐，材質(zhì)為S30408不銹鋼材質(zhì)。

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(shè)計抽氣量為400 m3/h，真空泵電機(jī)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(zhì)為S30408不銹鋼材質(zhì)。

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(zhì)為S30408不銹鋼材質(zhì)。

涉及的工藝管道也都選用S30408不銹鋼材質(zhì)，墊片均選用聚四氟乙烯材質(zhì)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(zhì)量濃度的計算公式為：

式中：C理代表丙酮的質(zhì)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(zhì)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(zhì)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(jié)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(jì)效益。膜分離法綠色、無二次污染，值得推廣應(yīng)用。