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    絲網波紋填料與鮑爾環填料超重力膠清脫氨研究
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    絲網波紋填料與鮑爾環填料超重力膠清脫氨研究

    2019-09-16      閱讀:
    分析了膠清組成對氨脫除的影響,提出了超重力膠清脫氨技術。采用立式錯流超重機,研究了超重力、原料流量、空氣流量對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而減小;隨空氣流量的而;隨超重力的呈現先后減小趨勢,存在佳操作點。絲網波紋填料的脫氨率在22.29%~43.98%之間,鮑爾環填料的脫氨率在15.66%~34.64%之間,絲網波紋填料的膠清脫氨傳質性能于鮑爾環。 

    橡膠具有異的綜合性能,廣泛應用于工業、農業、國防、運輸、交通、機械制造、醫藥衛生日常生活等方面[1]。膠清是由濃縮膠乳生產時從離心機中排出的重液,含有5%左右的橡膠粒子,企業常用硫酸凝固制備膠清膠[1-3]。由于新鮮膠乳容易變質,工業上常用氨作保鮮劑,在經過離心濃縮后,約有3/4的氨進入膠清中,因此膠清中氨含量較高,導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、類脂物、丙酮溶物、水溶物、無機鹽。其中,橡膠粒子、蛋白質、類脂物、丙酮溶物、水溶物多為大分子物質,根據Market-Houwink方程[η]=kMα知,大分子物質存在了膠清粘度。根據式DAS=7.4×10-8×(αMs)1/2TμV0A.6可知,粘度,傳質系數減小,氨氣的脫除。另外,膠清中的水分子圍繞在橡膠粒子周圍會定向形成水化膜,當膠清靜置時被這樣固定下來的水分子較多,了膠清的正常粘度,氨的脫除。為提高膠清脫氨率,可以采取以下措施:(1)根據亨利定律,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)根據膠乳的觸變性,液體湍動性,破壞橡膠粒子周圍水化膜,降低膠清粘度,提高擴散系數;(3)氣液相接觸面積,提高傳質系數。
    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。為進一步提高膠清脫氨率,降低生產成本,提高產量,論文以波紋絲網與鮑爾環為填料,對超重力膠清脫氨進行了研究。超重力技術是一項新型過程強化技術,因具有傳質效率高、設備體積小等點已應用于精餾、吸收、納米材料制備、廢水脫氨等領域[7-9],被譽為21世紀的“化工晶體管”。 
    1實驗
    1.1藥品和試劑膠清,廣墾橡膠集團茂名分公司;鹽酸,洛陽市化學試劑廠;甲基紅,天津市北辰方正試劑廠;氫氧化鈉,天津市大陸化學試劑廠。
    1.2工藝流程
    實驗流程如圖1所示。流程中主要設備為旋轉填料床,旋轉填料床中填料由電機帶動高速旋轉,形成超重力場。超重力場的強度由調頻電機調節。儲液槽中的膠清原液在泵的作用下經過液體轉子流量計計量后進入旋轉填料床,由中心管上的液體分布器均勻的噴灑在旋轉填料的內緣面上,受超重力的作用沿徑向向外甩出,經旋轉填料床腔體收集后從底部排出?諝饨涳L機加壓和流量計計量后進入旋轉填料床的底部,在壓力的作用下沿軸向自下而上穿過旋轉的填料層和固定的除霧器,然后從旋轉填料床頂部排出。在旋轉的填料中,氣液錯流接觸,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行傳質。
    絲網波紋填料與鮑爾環填料超重力膠清脫氨研究
    1.3工藝條件
    超重機中超重力場的強度以超重力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β的范圍為57.9~199,原料膠清中氨質量含量xw為0.166%,液體流量范圍L為30~80L/h,氣體流量范圍G為300~800m3/h。
    研究用超重機為立式錯流超重機(中北大學自制),填料內徑為190mm、外徑為370mm,軸向高度為200mm。填料為波紋絲網與鮑爾環。絲網波紋填料的直徑為0.285mm,堆積密度為365kg/m3,幾何比表面積3100m2/m3,空隙率為0.95。鮑爾環填料的直徑為16mm,幾何比表面積為239m2/m3,空隙率為0.93。
    1.4分析方法
    膠清中氨含量采用滴定法測定。 
    2結果與討論
    2.1超重力對脫氨性能的影響
    在原料氨濃度xw為0.166%、膠清流量L為40L/h、空氣流量G為700m3/h、膠清溫度為18℃、空氣溫度為12℃的條件下,超重力β對膠清出口氨含量xD、除氨率η的影響規律如圖2所示。

    由圖2可知,xD隨著β的增加呈現出先減小后趨勢,η呈現先后減小趨勢。分析認為,膠清在離心力與填料的雙重作用下,在填料中呈現液絲、液膜與液滴狀態,并不斷聚并-分散,相界面不斷更新,起初隨著超重力的,液絲與液滴的直徑變小,液膜變薄,氣液相界面,傳質系數提高,有利于傳質進行;但β的同時,液體在填料在的停留時間變短,對傳質不利,前者的作用大于后者,脫氨率;當β達到一定值后,液體的被破碎程度、液體湍動程度達到限狀態,液膜厚度趨于定值[11],停留時間成為脫氨率呈現減小趨勢的主要因素。波紋絲網在β為133.2時,η達到大值38.55%,xD達低值0.102%;鮑爾環在β為164.5時,η達到大值33.73%,xD達低值0.115%。
    從圖2可以看出,在相同操作條件下,金屬絲網的脫氨率總高于鮑爾環的脫氨率,說明波紋絲網的傳質性能于鮑爾環的傳質性能。原因為波紋絲網的堆積密度與比表面積均大于鮑爾環,膠清在填料中形成液絲、液滴與絲網波紋填料的碰撞機會多,液絲、液滴聚并分散頻率大,表面更新速度快,傳質性能。
    2.2液體流量對脫氨性能的影響
    在膠清原料氨含量xw為0.166%、超重力β為133.2、
    空氣流量G為700m3/h、膠清溫度為18℃、空氣溫度為12℃條件下,膠清流量L對膠清出口氨含量xD和除氨率η的影響規律如圖3所示。

    由圖3可知,不管是絲網波紋填料,還是鮑爾環填料,膠清出口氨含量xD均隨著原料流量L的增加而升高,相應膠清脫氨率η逐漸降低。分析認為:當超重機轉速不變時,在超重機內形成的超重力場強度不變,膠清在旋轉填料內的流速不變,液體在填料中的停留時間不變,當膠清流量時,膠清在單位體積填料上液膜的厚度相應,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,對傳質不利。同時,膠清流量,G/L相應減小,傳質推動力減小,對傳質不利。
    在操作條件范圍內,絲網波紋填料的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,說明鮑爾環的傳質性能劣于絲網波紋填料。
    2.3氣體流量對膠清脫氨性能的影響

    在膠清原料氨含量xw為0.166%、超重力β為133.2、膠清流量L為40L/h、膠清溫度為18℃、空氣溫度為12℃條件下,空氣流量G對膠清出口氨含量xD和除氨率η的影響規律如圖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。分析認為:G增加,氣體在填料中的流速相應增加,氣體在穿過填料時對液體的切割、
    破碎作用,氣液兩相的湍動程度、接觸面積和表面更新速度也隨之增加,有利于傳質進行;同時,空氣在填料中的停留時間縮短,單位時間單位體積氣體中氨的含量減小,平衡推動力加大,有利于膠清中氨的吹脫。同一操作條件下,波紋絲網的脫氨率高于鮑爾環填料。
    在操作條件范圍內,絲網波紋填料的xD在0.102%~0.115%之間變化,η在30.72%~38.86%之間變化。鮑爾環填料的xD在0.109%~0.140%之間變化;η在15.66%~34.64%之間變化。
    3傳質性能對比
    超重力膠清脫氨傳質性能與其他技術的膠清脫氨傳質性能如表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%,離心法遠于曝氣法,且曝氣法設備體積龐大。但兩者共同的缺點是開放式工藝,吹脫出的氨氣較難收集處理,工況及空氣污染嚴重。從單位長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,說明超重力法遠于離心法。

    4結論
    (1)超重力膠清脫氨傳質性能于曝氣法和離心法,超重力膠清脫氨技術脫氨效率高、工藝流程簡單、排出的氣體宜收集回收利用,可推廣應用于橡膠制備領域;
    (2)在超重力膠清脫氨中,絲網波紋填料傳質性能于鮑爾環;
    (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而減小;隨空氣流量的而;隨超重力的呈現先后減小趨勢,存在佳操作點。

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