常壓蒸餾用于水合瀝青焦油分離的工藝條件研究

王曉(青海大學(xué)化工學(xué)院, 青海 西寧 810016)

0 引言

青海省地處高原，氣壓低，在電解鋁生產(chǎn)過程中出現(xiàn)與平原地區(qū)不同的生產(chǎn)實際問題。在電解鋁碳陽極生產(chǎn)中，受低氣壓、瀝青煙氣成分、比電阻、生產(chǎn)環(huán)節(jié)等的影響[1]，瀝青煙氣凈化產(chǎn)生含水率為75%左右高水分的水合瀝青焦油廢水。水合瀝青焦油是具有一定穩(wěn)定性的“油包水”型乳狀液，不易分離，無法直接利用。在研究中將煙氣凈化得到的水合瀝青焦油乳狀液先進(jìn)行靜止沉淀預(yù)處理，分層后的下層為水合瀝青焦油，進(jìn)行油水分離試驗的研究，此時含水率為10.85%。通過比對離心分離、過濾分離、破乳劑、微波輻射和常壓蒸餾方法對脫水效率的的影響得出常壓蒸餾方法可分離水合瀝青焦油[2]，脫水率為70%，焦油含水率小于5%，瀝青焦油達(dá)到改質(zhì)瀝青行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)2級指標(biāo)(YB/T5194-2003)。

為了實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)要求，精確得出蒸餾控制參數(shù)，為工業(yè)化生產(chǎn)方案提供依據(jù)，試驗確定常壓蒸餾水合瀝青焦油脫水時最佳加熱介質(zhì)、煙氣溫度和蒸餾液溫度工藝參數(shù)。

1 試驗部分

1.1 材料與儀器

(1)試樣預(yù)處理。以青海省某電解鋁公司碳陽極生產(chǎn)中靜電捕集器捕集下來的水合瀝青焦油為研究對象，進(jìn)行預(yù)處理。由電捕下來的水合瀝青焦油攪拌混勻后測定水樣的含水率為77.42%。 經(jīng)過60min靜止沉降，水合瀝青焦油分層，上層為含焦油的廢水，下層是水合瀝青焦油，測定此時水合瀝青焦油含水率為10.85%，密度1.07g/cm3，粘度8.41mm2/s，灰分0.09%，結(jié)焦值37.12%，甲苯不容物22.69%。

(2)實驗所用油浴介質(zhì)為E501煤油，其它化學(xué)試劑均為分析純。

(3)儀器。FA2004B電子天平；萬用電爐(電子調(diào)節(jié)，220V-AC，0～1000W)；蒸餾裝置(電爐、500mL蒸餾燒瓶、300℃溫度計、直形冷凝管、10mL量筒等)；HH-S數(shù)顯恒溫油浴鍋。

1.2 試驗方法

分別取100mL預(yù)處理后水合瀝青焦油試樣，采用直接加熱、間接油浴加熱和添加二甲苯共沸物的不同的方法，按圖1連接蒸餾實驗裝置。每間隔2min記錄蒸餾燒瓶支口煙氣溫度、蒸餾液溫度和餾出水量，由餾出水量計算脫水效率。

圖1 常壓蒸餾脫水裝置Fig. 1 The atmospheric distillation dehydration device

1.3 測定方法

試樣的水分分析采用GB/T2288-2008《焦化產(chǎn)品水分的測定方法》的測定方法。

2 結(jié)果與分析

2.1 直接加熱對蒸餾分離水合瀝青焦油溫度的影響

采用萬用電爐進(jìn)行直接加熱蒸餾預(yù)處理后的試樣，隨著時間的變化，煙氣溫度和蒸餾液的溫度變化如圖2所示，脫水率的變化如圖3所示。

圖2 蒸餾時間與蒸餾溫度的關(guān)系Fig. 2 The relationship between time and temperature of distillation

由圖2得出：①蒸餾開始時，蒸餾液溫度由室溫逐漸上升，蒸餾燒瓶支口溫度(煙氣溫度)無明顯變化；15min后，蒸餾液溫度上升到100℃以上，煙氣溫度迅速上升到90℃時，有餾分蒸出，此時煙氣溫度不隨時間變化；40min后，煙氣溫度下降，無餾分蒸出。由于高原低氣壓的影響，當(dāng)蒸餾液的溫度達(dá)到90℃時，水蒸氣就被不斷蒸出，經(jīng)冷凝管冷卻成為餾分，隨著蒸餾時間的變化，油與水分離，蒸餾瓶內(nèi)為瀝青焦油。②隨著蒸餾液溫度緩慢上升到210℃左右時，煙氣溫度開始下降，無餾分蒸出；當(dāng)蒸餾液溫度超過215℃時，有明顯的煙氣產(chǎn)生，此時冷凝管中有淡黃色餾分蒸出，粘結(jié)在冷凝管壁上，冷凝下來的液滴呈現(xiàn)褐色。這是因為隨著溫度的升高，有不同成分的餾分蒸出，當(dāng)溫度小于 170℃為輕油，170～230℃為酚油和萘油，230～300℃為洗油，300～360℃為蒽油，360℃以上為瀝青[3]。因此蒸餾試驗蒸餾液控制溫度為210℃以內(nèi)，避免焦油中水以外的其它組分被蒸餾出來。

圖3 蒸餾時間與脫水率關(guān)系Fig. 3 The relationship between time and dehydration rate

圖4 蒸餾時間與蒸餾煙氣溫度的關(guān)系Fig. 4 The relationship between time and the gas temperature of distillation

圖5 蒸餾時間與脫水率的關(guān)系Fig. 5 The relationship between time and dehydration rate

從圖3可知，①蒸餾開始，逐漸有煙氣產(chǎn)生，15min后有餾分蒸出，20min～30min大量水分蒸出；34min后無冷凝管無水分蒸出，脫水率最高達(dá)到67.74%。②在蒸餾過程中由于采用電爐直接加熱，在蒸餾過程中升溫過快，有微量褐色液體蒸出，浮在量筒的上層，影響蒸餾液純度。要準(zhǔn)確掌握蒸餾溫度和煙氣溫度必須控制升溫速度，實驗采用恒溫油浴對水合瀝青焦油進(jìn)行蒸餾脫水。

2.2 間接油浴加熱對蒸餾分離水合瀝青焦油溫度的影響

采用煤油為加熱介質(zhì)設(shè)置數(shù)顯溫油浴鍋溫度為210℃，三組重復(fù)試驗蒸餾時間與煙氣溫度的變化見圖4，脫水率變化見圖5。

圖4和圖5可知，①隨著蒸餾時間增加，蒸餾液溫度緩慢上升，加熱蒸餾燒瓶10min后，水合瀝青焦油中的水分不斷成為餾分被蒸出，蒸餾燒瓶支口煙氣溫度逐漸升高，脫水率不斷增大，達(dá)到61.57%。②加熱15min后，蒸餾燒瓶支口溫度迅速上升，達(dá)到87℃后開始緩慢上升，此時水分被蒸餾出來，煙氣溫度上升到90℃后，恒定4min，最高上升到91℃，此時焦油試樣中的水分蒸發(fā)完畢，冷凝管無餾出物流出，此時蒸餾液溫度在194±2℃范圍內(nèi)。③恒溫油浴常壓蒸餾與直接加熱常壓蒸餾相比，受熱均勻，溫度上升穩(wěn)定，易于觀察和控制。

2.3 共沸蒸餾脫水試驗

為了研究蒸餾最佳脫水效果，在蒸餾過程中加入二甲苯作為共沸劑進(jìn)行共沸蒸餾脫水試驗。在一定溫度下，二甲苯和水有各自確定的飽和蒸汽壓，P*、P*，

水這兩不互溶液體共有時系統(tǒng)的蒸氣壓為二甲苯和水這兩種純液體的飽和蒸氣壓之和，即P= P苯*+。若某一溫度下P等于外壓，則兩液體同時沸騰，這一溫度即二甲苯和水的共沸點[4]?？梢姡谕瑯油鈮合?，二甲苯和水的共沸點低于兩純液體各自的沸點。二甲苯的沸點是138～144℃，水的沸點是100℃，而二甲苯與水的共沸點是92℃。在二甲苯一水共沸體系中，當(dāng)二甲苯含量低于共沸點時，二甲苯處于不飽和狀態(tài)，因此水很難脫除干凈；相反當(dāng)二甲苯含量提高到高于共沸點時，水處于不飽和狀態(tài)，此時即可達(dá)到很好的脫水效果。

取經(jīng)過預(yù)處理后100mL水合瀝青焦油試樣，加入二甲苯20mL，重復(fù)測定三組蒸餾時間、煙氣溫度、蒸餾液溫度和脫水率間的關(guān)系見圖6和圖7。

從圖6和圖7中可以看出，①加入共沸劑二甲苯的脫水效果要優(yōu)于常壓蒸餾脫水效果，而加入共沸劑與常壓蒸餾脫水蒸餾時間與蒸餾燒瓶支口溫度幾乎擬合在一條曲線上，變化浮動很??；②確定最佳煙氣溫度為90±1℃，最佳蒸餾液溫度，即油浴溫度為194±2℃。

圖6 水合瀝青焦油共沸蒸餾時間與煙氣溫度的變化Fig. 6 Variation of azeotropic distillation time of hydrated asphalt tar and gas temperature

圖7 水合瀝青焦油共沸蒸餾與常壓蒸餾脫水率關(guān)系Fig. 7 The relationship between azeotropic distillation of hydrated asphalt tar and dehydration rate of atmospheric distillation

圖8 水合瀝青焦油分離系統(tǒng)Fig. 8 The hydrated asphalt tar separation system

3 工業(yè)化實施方案要點

根據(jù)上述試驗得出油浴恒溫加熱蒸餾分離水合瀝青焦油的技術(shù)，提出設(shè)計工業(yè)化初步實施方案，工藝流程見圖8。

(1)設(shè)置電捕焦油凈化系統(tǒng)入口煙氣溫度、一級、二級凈化器處理煙氣溫度控制系統(tǒng)。煙氣溫度過高，比電阻高于1011Ω·cm煙氣從電場中直接排放，煙氣溫度過低焦油滯掛在電極上，會出現(xiàn)煙氣局部擊穿，并產(chǎn)生火花放電。電捕焦油凈化器內(nèi)部煙氣入口及電除塵器錐底部加套內(nèi)設(shè)置測溫儀表，在原煙氣入口管網(wǎng)上加裝電動補風(fēng)閥門及測溫儀表，與電捕焦油凈化器內(nèi)部測溫儀表連鎖，將電捕焦油凈化器處理煙氣溫度控制在90±1℃。保證捕集下來到瀝青焦油在電除塵器錐底部仍然保持在90±1℃之間，讓水分盡可能蒸發(fā)，有效進(jìn)行油水分離。

(2)設(shè)置水合瀝青焦油分離裝置?；厥盏乃蠟r青焦油進(jìn)入油水分離儲罐，經(jīng)過2h的沉降后，上層的焦油廢水被分離出來進(jìn)行后續(xù)廢水處理，下層的水合瀝青焦油由瀝青泵打入瀝青焦油回收儲罐，進(jìn)行最終水合瀝青焦油分離。油水分離儲罐外面設(shè)置清晰油水分層的觀察窗口，內(nèi)部安裝浮球式液面控制器，設(shè)置瀝青泵。

(3)設(shè)置瀝青焦油脫水裝置系統(tǒng)。對經(jīng)過油水分離裝置初步沉淀后得到水合瀝青焦油進(jìn)行常壓油浴加熱蒸餾分離，將水分蒸發(fā)。在瀝青焦油脫水裝置中底部與內(nèi)沿四壁設(shè)熱媒油盤管，內(nèi)部設(shè)置瀝青焦油含水率檢測探頭，控制加熱溫度對水合瀝青焦油蒸餾脫水。熱媒油盤管加熱溫度控制在194±2℃的條件下，通過含水率檢測探頭測試水合瀝青焦油含水率低于5%時，瀝青焦油由高溫瀝青泵打入瀝青熔化罐中回收利用。在焦油收集儲罐內(nèi)增設(shè)溫度控制點，并設(shè)檢修平臺。

4 結(jié)語

試驗將含水率為75%左右的水合瀝青焦油乳狀液先進(jìn)行預(yù)處理，使含水率成為10%左右，通過采用直接加熱、間接油浴加熱和添加二甲苯共沸物的不同的方法，得出常壓蒸餾脫水試驗的最佳參數(shù)條件為：

(1)采用直接加熱常壓蒸餾水合焦油分離試驗，煙氣溫度為90℃左右、蒸餾液溫度控制在210℃以內(nèi)，蒸餾受熱不均勻，溫度變化快，控制較難。

(2)采用恒溫油浴加熱進(jìn)行常壓蒸餾水合瀝青焦油分離試驗，確定最佳的煙氣溫度為90±1℃和蒸餾液控制加熱溫度為194±2℃，采用熱煤油油浴加熱優(yōu)于直接加熱蒸餾。

(3)提出工業(yè)化實施方案中設(shè)置了：電捕焦油凈化系統(tǒng)入口煙氣溫度、一級、二級凈化器處理煙氣溫度控制系統(tǒng)，水合瀝青焦油分離裝，瀝青焦油脫水裝置等。

[1]王曉.高原電解鋁生產(chǎn)中高水分水合瀝青焦油的成因分析[J].價值工程,2014,33(1):27-29.

[2]王曉,李偉,鐘宇.高原電解鋁產(chǎn)生高水分水合瀝青焦油分離方法的研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2013,41(30):12137-12139.

[3]林玉勝,王振才,肖亞明,等.瀝青煙氣凈化回收焦油的利用[J].輕金屬.2004(8):41-42.

[4]宋世漠,莊公惠,王正烈,等.物理化學(xué),上冊[M].北京:高等教育出版社.2000:359-360.