一種用于乙二醇?xì)堃夯厥盏慕](méi)蒸發(fā)器

段 斌 閔 越 劉萬(wàn)毅 胡奇林

（1.寧夏化學(xué)學(xué)會(huì)；2.寧夏鑫悅洋科技服務(wù)有限公司）

隨著工業(yè)的飛速發(fā)展，工業(yè)廢液的處理成為環(huán)保領(lǐng)域急需解決的問(wèn)題。 我國(guó)是乙二醇的消費(fèi)大國(guó)，近年來(lái)，越來(lái)越多的煤制乙二醇項(xiàng)目陸續(xù)上馬，乙二醇?xì)堃撼蔀楫?dāng)前化工行業(yè)的處理難題［1］。乙二醇?xì)堃寒a(chǎn)生自產(chǎn)品提純精餾塔塔釜，具有成分復(fù)雜、 含水量大及處理難度高等特點(diǎn)，從乙二醇?xì)堃褐芯苹厥崭咂焚|(zhì)乙二醇，具有較高的利潤(rùn)空間和節(jié)能、環(huán)保價(jià)值。

當(dāng)前乙二醇?xì)堃褐饕揽繙p壓精餾、多級(jí)精餾塔進(jìn)行提純處理，工藝流程復(fù)雜，能耗普遍較大，且由于精餾工藝的限制，所得到的濃縮乙二醇（85%～98%）依然有焦糖糊味等刺激性氣味，降低了產(chǎn)品品質(zhì)，導(dǎo)致產(chǎn)品價(jià)格每噸比無(wú)焦糖糊味的濃縮乙二醇低2 000～2 500元人民幣左右，乙二醇?xì)堃好繃? 500元人民幣，因此對(duì)乙二醇?xì)堃哼M(jìn)行回收和提質(zhì)，發(fā)展前景巨大。

近年來(lái)，對(duì)乙二醇?xì)堃旱难芯亢芏唷?孫向東等對(duì)乙二醇?xì)堃哼M(jìn)行研究，針對(duì)乙二醇?xì)堃旱慕M分特點(diǎn)，采用刮板式降膜蒸發(fā)、精餾工藝回收乙二醇?xì)堃海?］。 趙紅軍和華超發(fā)明了一種煤制乙二醇?xì)堃旱幕厥辗椒?，主要采用連續(xù)、間歇精餾的方法［3］。 陸丁丁等采用蒸發(fā)與精餾相結(jié)合的工藝回收乙二醇?xì)堃海涮卣髟谟诮?jīng)過(guò)蒸發(fā)預(yù)處理后進(jìn)行精餾分離，能夠有效回收各組分，提高綜合利用效率［4］。經(jīng)分析，回收乙二醇?xì)堃旱闹饕椒ㄓ?蒸 發(fā)［5］、物 理 吸 附［6］、間 歇/連 續(xù) 精 餾 及 膜 分 離等，其中精餾技術(shù)適用于組分簡(jiǎn)單、沸點(diǎn)相差較大的體系，而蒸發(fā)法的適用范圍廣、設(shè)備簡(jiǎn)單，更適用于類似乙二醇?xì)堃旱幕厥铡?/p>

浸沒(méi)蒸發(fā)屬于氣-液兩相直接接觸， 利用高溫?zé)煔庾鳛闊嵩催M(jìn)行傳質(zhì)傳熱，其蒸發(fā)、傳熱效率比傳統(tǒng)方式的高，通常用于廢液處理時(shí)效果明顯，但目前尚未見(jiàn)到將浸沒(méi)蒸發(fā)技術(shù)應(yīng)用于乙二醇?xì)堃夯厥盏南嚓P(guān)技術(shù)或?qū)＠?筆者設(shè)計(jì)發(fā)明的用于乙二醇?xì)堃夯厥盏慕](méi)蒸發(fā)設(shè)備在原理、設(shè)備成熟度、可行性等方面均具有明顯的優(yōu)勢(shì)與前景。

1 設(shè)計(jì)原理

浸沒(méi)蒸發(fā)原理［7］如圖1所示，高溫氣流經(jīng)浸沒(méi)直管浸入液面以下， 經(jīng)由底部特制的小孔噴出，氣相以氣泡形式進(jìn)入液相內(nèi)部， 一方面由于氣-液兩相溫差較大，形成的溫度梯度ΔT帶來(lái)的推動(dòng)力促使傳熱過(guò)程快速進(jìn)行， 液相升溫速度增大，同時(shí)在氣泡上升過(guò)程中，內(nèi)部壓力的逐漸增大導(dǎo)致氣泡破裂，局部形成高溫高壓狀態(tài)，對(duì)液相體系的擾動(dòng)作用明顯，從而進(jìn)一步促進(jìn)了傳熱與傳質(zhì)過(guò)程。 由于高溫氣流作用，液相體系中飽和蒸氣壓低的組分（溶劑或輕組分）汽化，隨著氣流排出，溶質(zhì)（或重組分）百分含量增大，實(shí)現(xiàn)溶液濃縮［8，9］。

圖1 浸沒(méi)蒸發(fā)原理圖

通過(guò)氣-質(zhì)聯(lián)用（GC-MS）對(duì)原料進(jìn)行分析，乙二醇?xì)堃褐泻胁菟岫柞?、乙醇酸甲酯和大量的水，組分分析見(jiàn)表1。

表1 乙二醇?xì)堃航M分分析

查閱資料可知，草酸二甲酯、乙醇酸甲酯在大量水中會(huì)發(fā)生水解反應(yīng)，其反應(yīng)方程式和反應(yīng)條件如下：

CH3OOCCOOCH3+H2O→HOOCCOOH+2CH3OH，ΔH=8.97kJ/mol

（水解條件：水酯比例為20∶1、溫度80℃、時(shí)間60min）

CH3OOCCH2OH+H2O→HOOCCH2OH+CH3OH，ΔH=16.12kJ/mol

（水解條件：水酯比例為30∶1、溫度80℃、時(shí)間300min）

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 方案思路

本發(fā)明依據(jù)浸沒(méi)蒸發(fā)原理，利用低品位熱源（鍋爐煙氣或其他熱源）替代燃料氣，取消原有設(shè)計(jì)中的燃燒室，改為直管式圓筒，底部設(shè)計(jì)特殊結(jié)構(gòu)的小孔，有利于形成尺寸更小、更均勻的氣泡，進(jìn)一步提高傳熱傳質(zhì)效率。 由于乙二醇?xì)堃汉絮ヮ惖扔袡C(jī)物，容易形成泡沫，氣流量過(guò)大產(chǎn)生類似霧沫夾帶現(xiàn)象，降低效率，因此在主設(shè)備上部位置增加金屬絲網(wǎng)除沫器，一方面可進(jìn)行氣液兩相分離，另一方面還起到填料作用，進(jìn)一步加強(qiáng)傳質(zhì)過(guò)程。乙二醇?xì)堃簆H值為5～6左右，易對(duì)金屬產(chǎn)生腐蝕，同時(shí)為了提高乙二醇?xì)堃荷郎厮俾剩?在蒸發(fā)器底部設(shè)置了內(nèi)置聚四氟換熱器，采用蒸汽為加熱介質(zhì)對(duì)乙二醇?xì)堃哼M(jìn)行加熱。

本發(fā)明特點(diǎn)是充分利用了高溫鍋爐煙氣替代燃?xì)庾鳛閯?dòng)力源， 在降低處理成本的同時(shí)，對(duì)煙氣熱能加以回收利用。 同時(shí)增加的絲網(wǎng)除沫器和內(nèi)置聚四氟換熱器保證了處理過(guò)程的穩(wěn)定性、設(shè)備長(zhǎng)期使用的安全性等。

2.2 設(shè)備結(jié)構(gòu)

筆者發(fā)明的直管式浸沒(méi)蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)如圖2所示。 乙二醇?xì)堃河蓚?cè)面的進(jìn)氣管泵入直管式浸沒(méi)蒸發(fā)器中，液位計(jì)顯示液位達(dá)到1/2，需保證進(jìn)氣管底部通氣孔全部淹沒(méi)至液面以下。 鍋爐煙氣由進(jìn)氣管通入直管式浸沒(méi)蒸發(fā)器中， 煙氣流量為600m3/h，由于氣流作用所產(chǎn)生的霧沫夾帶通過(guò)絲網(wǎng)除沫器進(jìn)行過(guò)濾，尾氣由蒸發(fā)器頂部出氣口排出。 開啟蒸發(fā)器底部?jī)?nèi)置聚四氟換熱器進(jìn)出口閥門，通入蒸汽進(jìn)行加熱，蒸汽進(jìn)口壓力在0.4MPa以上。 完成蒸發(fā)后經(jīng)由底部出液口排出。 蒸發(fā)器外壁設(shè)置有取樣口，可隨時(shí)進(jìn)行分析取樣。

圖2 直管式浸沒(méi)蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)示意圖

進(jìn)氣管結(jié)構(gòu)如圖3所示，進(jìn)氣管為直管式，底面密封，同時(shí)開有進(jìn)氣孔，進(jìn)氣孔為傾斜開孔，角度為32°。

圖3 進(jìn)氣管結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 設(shè)備設(shè)計(jì)參數(shù)

本發(fā)明屬于非標(biāo)設(shè)備，設(shè)計(jì)時(shí)主要參考浸沒(méi)燃燒蒸發(fā)器［10］內(nèi)容。 設(shè)備設(shè)計(jì)處理量為1.125t/h，各項(xiàng)參數(shù)計(jì)算過(guò)程如下。

2.3.1 蒸發(fā)強(qiáng)度

蒸發(fā)強(qiáng)度、 浸沒(méi)深度決定了氣-液傳熱傳質(zhì)空間的大小，而蒸發(fā)室環(huán)形斷面大小以環(huán)形斷面蒸發(fā)強(qiáng)度為指標(biāo)。 蒸發(fā)強(qiáng)度和加熱室環(huán)形斷面面積函數(shù)關(guān)系如下：

W=M/S

式中 M——設(shè)備設(shè)計(jì)處理量，即蒸發(fā)水量，kg/h；

S——加熱室環(huán)形斷面面積，m2；

W——蒸發(fā)強(qiáng)度，kg/（m2·h）。

其中，M取1.125t/h，即1 125kg/h；設(shè)計(jì)浸沒(méi)蒸發(fā)器規(guī)格尺寸為φ1.5m×2.3m，則加熱室環(huán)形斷面面積S=πR2=π（1.5÷2）2=1.766m2，代入數(shù)據(jù)可得，W=637kg/（m2·h）。

2.3.2 直管浸沒(méi)深度

直管浸沒(méi)深度決定了氣泡存在時(shí)間的長(zhǎng)短，浸沒(méi)深度過(guò)大，氣相阻力過(guò)大、損耗過(guò)大，氣泡產(chǎn)生量越小，而深度過(guò)小，形成氣泡的時(shí)間過(guò)短、停留時(shí)間短，傳熱傳質(zhì)效果不好，在底部位置易形成“死區(qū)”，且造成液相體系形成溫度梯度，工作時(shí)間延長(zhǎng)。 因此，適宜的直管浸沒(méi)深度對(duì)于浸沒(méi)蒸發(fā)過(guò)程極為重要。

綜合考慮氣相壓力、溫度差、工作時(shí)間及能耗等因素，本發(fā)明設(shè)計(jì)直管浸沒(méi)深度為液面以下2/3處， 若液面高度為1.01m， 則直管距設(shè)備底部0.34m。

另外直管直徑、底部小孔直徑對(duì)氣泡的尺寸影響明顯， 選擇合理的直管直徑也尤為重要，浸沒(méi)直管直徑dm為：式中 Qf——?dú)怏w流量，取239m3/h；

Vm——?dú)怏w流速，1.0～3.5m/s，取3.5m/s。

代入數(shù)據(jù)可得dm=155mm，另將小孔直徑設(shè)計(jì)為4mm。

2.3.3 熱效率

查閱資料可知， 浸沒(méi)燃燒蒸發(fā)器傳熱效率92%～95%，本設(shè)備取熱效率ηh=92%。

2.3.4 分離系統(tǒng)

蒸發(fā)器高度影響氣液相的分離， 合適的傳熱、傳質(zhì)空間對(duì)蒸發(fā)意義重大，蒸發(fā)器高度過(guò)低容易形成霧沫夾帶， 過(guò)高則會(huì)導(dǎo)致制作成本高，故為了降低蒸發(fā)器的高度，在蒸發(fā)室上部設(shè)置排氣筒。

排氣筒設(shè)計(jì)為大直徑的圓筒，直徑Dg為：

2.3.5 蒸發(fā)室

2.3.6 內(nèi)置聚四氟換熱器

本課題設(shè)計(jì)的蒸發(fā)器需在內(nèi)部安裝保溫裝置， 選用內(nèi)置的聚四氟換熱器， 其結(jié)構(gòu)如圖4所示。 該換熱器以許多細(xì)小直徑的聚四氟乙烯軟管為傳熱組件，具有換熱面積較大，耐腐蝕、抗蝕性好、不易結(jié)垢的特點(diǎn)。 選型參數(shù)為：

聚四氟管規(guī)格 φ0.8mm×0.5mm

聚四氟乙烯軟管根數(shù) 121

換熱面積 10m2

管程介質(zhì) 熱水

殼程介質(zhì) 乙二醇?xì)堃?/p>

換熱器高度 400mm

圖4 聚四氟換熱器結(jié)構(gòu)示意圖

3 結(jié)束語(yǔ)

參考上述設(shè)備關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算及設(shè)計(jì)結(jié)果，本課題在經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)室小試、理論計(jì)算、中試放大裝置設(shè)計(jì)后， 按照設(shè)計(jì)參數(shù)制作出一臺(tái)蒸發(fā)設(shè)備，配合其他工藝設(shè)備進(jìn)行中試試驗(yàn)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置參數(shù)進(jìn)一步修正后實(shí)驗(yàn)效果良好，濃縮提純后的乙二醇?xì)堃耗軌驖M足相關(guān)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求，證明了浸沒(méi)蒸發(fā)器用于處理乙二醇?xì)堃耗軌蜻_(dá)到預(yù)期目標(biāo)，后續(xù)將視計(jì)劃進(jìn)行工業(yè)化裝置實(shí)驗(yàn)等。 本課題形成的技術(shù)成果通過(guò)了銀川市科技成果登記。