分析膠清組成對(duì)氨脫除的影響,提出超重力膠清脫氨技術(shù)。采用立式錯(cuò)流超重機(jī),研究了超重力Y子、原料流量、空氣流量對(duì)膠清脫氨性能的影響。在其他操作條件不變的情況下,膠清脫氨率均隨膠清流量的增加而減小; 隨空氣流量的增加而增加; 隨超重力Y子的增加呈現(xiàn)先增加后減小趨勢(shì),存在最J操作點(diǎn)。波紋絲網(wǎng)填料的脫氨率在 22. 29% ~ 43. 98% 之間, 鮑爾環(huán)填料的脫氨率在 15. 66% ~ 34. 64% 之間,波紋絲網(wǎng)填料的膠清脫氨傳質(zhì)性能優(yōu)于鮑爾環(huán)。
關(guān)鍵詞: 超重力技術(shù); 膠清; 脫氨; 波紋絲網(wǎng)填料; 鮑爾環(huán)填料
T然橡膠具有優(yōu)異的綜合性能,廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、 國防、運(yùn)輸、交通、機(jī)械制造、醫(yī)藥衛(wèi)生日常生活等方面[1]。 膠清是由濃縮T然膠乳生產(chǎn)時(shí)從離心機(jī)中排出的重液,含有5% 左右的橡膠粒子,企業(yè)常用硫酸凝固制備膠清膠[1-3]。由于新鮮膠乳容易變質(zhì),工業(yè)上常用氨作保鮮劑,在經(jīng)過離心濃縮后,約有 3 /4 的氨進(jìn)入膠清中,因此膠清中氨含量較高,導(dǎo)致膠清膠制備中硫酸用量大、成本高、廢水處理困難[4]。
膠清的主要成份有: 水、橡膠粒子、蛋白質(zhì)、類脂物、丙酮溶物、水溶物、無機(jī)鹽。其中,橡膠粒子、蛋白質(zhì)、類脂物、丙酮溶物、水溶物多為大分子物質(zhì),根據(jù) Market-Houwink方程[η]= kMα 知,大分子物質(zhì)存在增加了膠清粘度。根據(jù)式( αM ) 1 /2 T制氨氣的脫除。另外,膠清中的水分子圍繞在橡膠粒子周圍會(huì)定向形成水化膜,當(dāng)膠清靜置時(shí)被這樣固定下來的水分子較多,增加了膠清的正常粘度,Y制氨的脫除。為提高膠清脫氨率,可以采取以下措施: ( 1) 根據(jù)亨利定律,提高溶液溫度、提高氣液比、提高膠清的pH 值來降低膠清中氨的含量; ( 2) 根據(jù)膠乳的觸變性, 增加液體湍動(dòng)性,破壞橡膠粒子周圍水化膜,降低膠清粘度,提G擴(kuò)散系數(shù); ( 3) 增加氣液相接觸面積,提高傳質(zhì)系數(shù)。曝氣法[5]、離心霧化法[6]用于脫除膠清中的氨,可減少硫酸用量、降低成本。為進(jìn)一步提高膠清脫氨率,降低生產(chǎn)成 本,提高質(zhì)量,論文以波紋絲網(wǎng)與鮑爾環(huán)為填料,對(duì)超重 力膠清脫氨進(jìn)行了研究。超重力技術(shù)是一項(xiàng)新型過程強(qiáng)化技術(shù),因具有傳質(zhì)效率高、設(shè)備體積小等優(yōu)點(diǎn)已應(yīng)用于精餾、吸DAS= 7. 4×10-8 ×
s 可知,粘度增加,傳質(zhì)系數(shù)減小,
μV0. 6收、納米材料制備、廢水脫氨等領(lǐng)域[7-9]
1. 2 工藝流程
實(shí)驗(yàn)流程如圖 1 所示。流程中主要設(shè)備為旋轉(zhuǎn)填料床,旋轉(zhuǎn)填料床中填料由電機(jī)帶動(dòng)高速旋轉(zhuǎn),形成超重力場(chǎng)。超重力場(chǎng)的強(qiáng)度由調(diào)頻電機(jī)調(diào)節(jié)。儲(chǔ)液槽中的膠清原液在泵的作用下經(jīng)過液體轉(zhuǎn)子流量計(jì)計(jì)量后進(jìn)入旋轉(zhuǎn)填料床,由中心管上的液體分布器均勻的噴灑在旋轉(zhuǎn)填料的內(nèi)緣面上,受超重力的作用沿徑向向外甩出,經(jīng)旋轉(zhuǎn)填料床腔體收集后從底部排出。空氣經(jīng)風(fēng)機(jī)加壓和流量計(jì)計(jì)量后進(jìn)入旋轉(zhuǎn)填料床的底部,在壓力的作用下沿軸向自下而上穿過旋轉(zhuǎn)的填料層和固定的除霧器,然后從旋轉(zhuǎn)填料床頂部排出。在旋轉(zhuǎn)的填料中,氣液錯(cuò)流接觸, 膠清在超重力、填料和氣流的多重作用下,被拉成液絲、液膜、 液滴,并不斷聚并更新,氣液得到快速微觀混合并進(jìn)行傳質(zhì)。
圖 1 超重力膠清除氨工藝流程
Fig. 1 Flow chart
1. 3 工藝條件
超重機(jī)中超重力場(chǎng)的強(qiáng)度以超重力Y子 β 來表示[10],是填料中不同半徑處離心加速度與重力加速度比的面平均值。超重 力因Z β 的范圍為 57. 9 ~ 199,原料膠清中氨質(zhì)量含量 xw 為166% ,液體流量范圍 L 為 30 ~ 80 L / h,氣體流量范圍 G 為300 ~ 800 m3 / h。
研究用超重機(jī)為立式錯(cuò)流超重機(jī)( 中北大學(xué)自制) ,填料內(nèi)徑為 190 mm、外徑為 370 mm,軸向高度為 200 mm。填料為波紋絲網(wǎng)與鮑爾環(huán)。波紋絲網(wǎng)填料的直徑為0. 285 mm,堆積密度為 365 kg / m3 ,幾何比表面積 3100 m2 / m3 ,空隙率為 0. 95。鮑爾環(huán)填料的直徑為 16 mm,幾何比表面積為 239 m2 / m3 ,空隙率為 0. 93。
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4 分析方法
膠清中氨含量采用滴定法測(cè)定。
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結(jié)果與討論
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1 超重力Y子對(duì)脫氨性能的影響
在原料氨濃度 xw 為 0. 166% 、膠清流量 L 為 40 L / h、空氣流量 G 為 700 m3 / h、膠清溫度為 18 ℃ 、空氣溫度為 12 ℃ 的條件下,超重力Y子 β 對(duì)膠清出口氨含量 xD 、除氨率 η 的影響規(guī)律如圖 2 所示。
圖 2 β 對(duì) x
D 和 η 的影響
Fig. 2 Effects of β on x
D and η
由圖 2 可知,xD 隨著 β 的增加呈現(xiàn)出先減小后增加趨勢(shì), η 呈現(xiàn)先增加后減小趨勢(shì)。分析認(rèn)為,膠清在離心力與填料的雙重作用下,在填料中呈現(xiàn)液絲、液膜與液滴狀態(tài),并不斷聚 并-分散,相界面不斷更新,起初隨著超重力Y子的增加,液 絲與液滴的直徑變小,液膜變薄,氣液相界面增加,傳質(zhì)系數(shù) 提高,有利于傳質(zhì)進(jìn)行; 但 β 增加的同時(shí),液體在填料在的停留時(shí)間變短,對(duì)傳質(zhì)不利,前者的作用大于后者,脫氨率增 加; 當(dāng) β 達(dá)到一定值后,液體的被破碎程度、液體湍動(dòng)程度達(dá)到極X狀態(tài),液膜厚度趨于定值[11],停留時(shí)間成為脫氨率呈現(xiàn) 減小趨勢(shì)的主要因素。波紋絲網(wǎng)在 β 為 133. 2 時(shí),η 達(dá)到最D值 38. 55% ,xD 達(dá)Z低值 0. 102% ; 鮑爾環(huán)在 β 為 164. 5 時(shí),η 達(dá)到最D值 33. 73% ,xD 達(dá)Z低值 0. 115% 。
從圖 2 可以看出,在相同操作條件下,金屬絲網(wǎng)的脫氨率總高于鮑爾環(huán)的脫氨率,說明波紋絲網(wǎng)的傳質(zhì)性能優(yōu)于鮑爾環(huán) 的傳質(zhì)性能。原因?yàn)椴y絲網(wǎng)的堆積密度與比表面積均大于鮑 爾環(huán),膠清在填料中形成液絲、液滴與波紋絲網(wǎng)填料的碰撞機(jī) 會(huì)多,液絲、液滴聚并分散頻率大,表面更新速度快,傳質(zhì)性 能優(yōu)。
2. 2 液體流量對(duì)脫氨性能的影響
在膠清原料氨含量 xw 為 0. 166% 、超重力Y子 β 為 133. 2、空氣流量 G 為 700 m3 / h、膠清溫度為 18 ℃ 、空氣溫度為 12 ℃ 條件下,膠清流量 L 對(duì)膠清出口氨含量 xD 和除氨率 η 的影響規(guī)律如圖 3 所示。
圖 3 L 對(duì) x
D 和 η 的影響
Fig. 3 Effects of L on x
D and η
由圖 3 可知,不管是波紋絲網(wǎng)填料,還是鮑爾環(huán)填料,膠清出口氨含量 xD 均隨著原料流量 L 的增加而升高,相應(yīng)膠清脫氨率 η 逐漸降低。分析認(rèn)為: 當(dāng)超重機(jī)轉(zhuǎn)速不變時(shí),在超重機(jī)
波紋絲網(wǎng)與鮑爾環(huán)填料超重力膠清脫氨研究 107
內(nèi)形成的超重力場(chǎng)強(qiáng)度不變,膠清在旋轉(zhuǎn)填料內(nèi)的流速不變, 液體在填料中的停留時(shí)間不變,當(dāng)膠清流量增加時(shí),膠清在單位體積填料上液膜的厚度相應(yīng)增加,液滴與液絲直徑變大,單位體積膠清的相間比表面積減小,表面更新速率降低,對(duì)傳質(zhì)不利。同時(shí),膠清流量增加,G / L 相應(yīng)減小,傳質(zhì)推動(dòng)力減小, 對(duì)傳質(zhì)不利。
在操作條件范圍內(nèi), 波紋絲網(wǎng)填料的 xD 在 0. 093% ~ 0. 129% 之間變化,η 在 22. 29% ~ 43. 98% 之間變化; 鮑爾環(huán)填料的 xD 在 0. 109% ~ 0. 138% 之間變化,η 在 16. 87% ~ 34. 34% 之間變化,說明鮑爾環(huán)的傳質(zhì)性能劣于波紋絲網(wǎng)填料。
2. 3 氣體流量對(duì)膠清脫氨性能的影響
圖 4 G 對(duì) x
D 和 η 的影響
Fig. 4 Effects of G on x
D and η
在膠清原料氨含量 xw 為 0. 166% 、超重力Y子 β 為 133. 2、膠清流量 L 為 40 L / h、膠清溫度為 18 ℃ 、空氣溫度為 12 ℃ 條件下,空氣流量 G 對(duì)膠清出口氨含量 xD 和除氨率 η 的影響規(guī)律如圖 4 所示。從圖 4 中看出,兩種填料膠清出口氨含量 xD 隨著 G 的增加先快速降低后趨于平緩,η 則相反。分析認(rèn)為: G 增加,氣體在填料中的流速相應(yīng)增加,氣體在穿過填料時(shí)對(duì)液體的切割、 破碎作用增加,氣液兩相的湍動(dòng)程度、接觸面積和表面更新速度也隨之增加,有利于傳質(zhì)進(jìn)行; 同時(shí),空氣在填料中的停留時(shí)間縮短,單位時(shí)間單位體積氣體中氨的含量減小,平衡推動(dòng)力加大,有利于膠清中氨的吹脫。同一操作條件下,波紋絲網(wǎng)的脫氨率高于鮑爾環(huán)填料。在操作條件范圍內(nèi), 波紋絲網(wǎng)填料的 xD 在 0. 102% ~0. 115% 之間變化,η 在 30. 72% ~ 38. 86% 之間變化。鮑爾環(huán)填料的 xD 在 0. 109% ~ 0. 140% 之間變化; η 在 15. 66% ~ 34. 64%之間變化。
-
傳質(zhì)性能對(duì)比
超重力膠清脫氨傳質(zhì)性能與其他技術(shù)的膠清脫氨傳質(zhì)性能
如表 1 所示。
表 1 中三種方法所處理膠清原料都來源于廣東某橡膠廠, 因此膠清內(nèi)部組成及成分含量大致相同。從表 1 可以看出,在原料濃度、溫度相近的情況下,離心法的脫氨率為 60% ,曝氣法的脫氨率為 25% ,離心法遠(yuǎn)優(yōu)于曝氣法,且曝氣法設(shè)備體積龐大。但兩者共同的缺點(diǎn)是開放式工藝,吹脫出的氨氣較難收集處理,工況及空氣污染嚴(yán)重。從單位長(zhǎng)度填料脫氨效率比較,在較低操作溫度與原料氨含量的情況下,超重力法單位填料的脫氨率為 0. 52 和 0. 39,離心法為 0. 3,說明超重力法遠(yuǎn)優(yōu)于離心法。
表 1 不同技術(shù)膠清除氨效果對(duì)比表
研究者 技術(shù) |
設(shè)備尺寸 |
工藝特點(diǎn) |
膠清溫度/ ℃ |
xw /% |
xD /% |
η /% |
η% / Δr |
黎燕飛[5] 曝氣法 |
容量 60 t |
開放 |
35 |
0. 24 |
0. 18 |
25 |
- |
張書江[6] 離心法 |
Δr 200 mm |
開放 |
35 |
0. 25 |
0. 10 |
60 |
0. 3 |
波紋絲網(wǎng)填料 |
Δr 90 mm |
封閉 |
25 |
0. 17 |
0. 09 |
47 |
0. 52 |
|
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本文 超重力法
鮑爾環(huán)填料 Δr 90 mm 封閉 25 0. 17 0. 11 35 0. 39
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結(jié) 論
( 1) 超重力膠清脫氨傳質(zhì)性能優(yōu)于曝氣法和離心法,超重力膠清脫氨技術(shù)脫氨效率高、工藝流程簡(jiǎn)單、排出的氣體宜收 集回收利用,可推廣應(yīng)用于橡膠制備領(lǐng)域;
( 2) 在超重力膠清脫氨中,波紋絲網(wǎng)填料傳質(zhì)性能優(yōu)于鮑爾環(huán);
( 3) 在其他操作條件不變的情況下,膠清脫氨率隨膠清流量的增加而減小; 隨空氣流量的增加而增加; 隨超重力Y子的增加呈現(xiàn)先增加后減小趨勢(shì),存在最J操作點(diǎn)。