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鲍尔环填料与波纹丝网填料超重力胶清脱氨研究
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鲍尔环填料与波纹丝网填料超重力胶清脱氨研究

2019-10-23      阅读:
分析了胶清组成对氨脱除的影响,提出了超重力胶清脱氨技术。采用立式错流超重机,研究了超重力因子、原料流量、空气流量对胶清脱氨性能的影响。在其他操作条件不变的情况下,胶清脱氨率均随胶清流量的增大而减小;随空气流量的增大而增大;随超重力因子的增大呈现先增大后减小趋势,存在最佳操作点。丝网波纹填料脱氨率在22.29%~43.98%之间,鲍尔环填料的脱氨率在15.66%~34.64%之间,丝网波纹填料胶清脱氨传质性能优于鲍尔环。 

天然橡胶具有优异的综合性能,广泛应用于工业、农业、国防、运输、交通、机械制造、医药卫生日常生活等方面[1]。胶清是由浓缩天然胶乳生产时从离心机中排出的重液,含有5%左右的橡胶粒子,企业常用硫酸凝固制备胶清胶[1-3]。由于新鲜胶乳容易变质,工业上常用氨作保鲜剂,在经过离心浓缩后,约有3/4的氨进入胶清中,因此胶清中氨含量较高,导致胶清胶制备中硫酸用量大、成本高、废水处理困难[4]。
胶清的主要成份有:水、橡胶粒子、蛋白质、类脂物、丙酮溶物、水溶物、无机盐。其中,橡胶粒子、蛋白质、类脂物、丙酮溶物、水溶物多为大分子物质,根据Market-Houwink方程[η]=kMα知,大分子物质存在增大了胶清粘度。根据式制氨气的脱除。另外,胶清中的水分子围绕在橡胶粒子周围会定向形成水化膜,当胶清静置时被这样固定下来的水分子较多,增大了胶清的正常粘度,抑制氨的脱除。为提高胶清脱氨率,可以采取以下措施:(1)根据亨利定律,提高溶液温度、提高气液比、
提高胶清的pH值来降低胶清中氨的含量;(2)根据胶乳的触变性,增强液体湍动性,破坏橡胶粒子周围水化膜,降低胶清粘度,提高扩散系数;(3)增大气液相接触面积,提高传质系数。
曝气法[5]、离心雾化法[6]用于脱除胶清中的氨,可减少硫酸用量、降低成本。为进一步提高胶清脱氨率,降低生产成本,提高产品质量,论文以波纹丝网与鲍尔环为填料,对超重力胶清脱氨进行了研究。超重力技术是一项新型过程强化技术,因具有传质效率高、设备体积小等优点已应用于精馏、吸收、纳米材料制备、废水脱氨等领域[7-9],被誉为21世纪的“化工晶体管”。 

1实验

1.1药品和试剂
胶清,广垦橡胶集团茂名分公司;盐酸,洛阳市化学试剂厂;甲基红,天津市北辰方正试剂厂;氢氧化钠,天津市大陆化学试剂厂。
1.2工艺流程
实验流程如图1所示。流程中主要设备为旋转填料床,旋转填料床中填料由电机带动高速旋转,形成超重力场。超重力场的强度由调频电机调节。储液槽中的胶清原液在泵的作用下经过液体转子流量计计量后进入旋转填料床,由中心管上的液体分布器均匀的喷洒在旋转填料的内缘面上,受超重力的作用沿径向向外甩出,经旋转填料床腔体收集后从底部排出。空气经风机加压和流量计计量后进入旋转填料床的底部,在压力的作用下沿轴向自下而上穿过旋转的填料层和固定的除雾器,然后从旋转填料床顶部排出。在旋转的填料中,气液错流接触,胶清在超重力、填料和气流的多重作用下,被拉成液丝、液膜、液滴,并不断聚并更新,气液得到快速微观混合并进行传质。

1.3工艺条件
超重机中超重力场的强度以超重力因子β来表示[10],是填料中不同半径处离心加速度与重力加速度比的面平均值。超重力因子β的范围为57.9~199,原料胶清中氨质量含量xw为0.166%,液体流量范围L为30~80L/h,气体流量范围G为300~800m3/h。
研究用超重机为立式错流超重机(中北大学自制),填料内径为190mm、外径为370mm,轴向高度为200mm。填料为波纹丝网与鲍尔环。丝网波纹填料直径为0.285mm,堆积密度为365kg/m3,几何比表面积3100m2/m3,空隙率为0.95。鲍尔环填料的直径为16mm,几何比表面积为239m2/m3,空隙率为0.93。
 
1.4分析方法
胶清中氨含量采用滴定法测定。 

2结果与讨论

2.1超重力因子对脱氨性能的影响
在原料氨浓度xw为0.166%、胶清流量L为40L/h、空气流量G为700m3/h、胶清温度为18℃、空气温度为12℃的条件下,超重力因子β对胶清出口氨含量xD、除氨率η的影响规律如图2所示。
图2β对xD和η的影响
Fig.2EffectsofβonxDandη由图2可知,xD随着β的增加呈现出先减小后增大趋势,η呈现先增大后减小趋势。分析认为,胶清在离心力与填料的双重作用下,在填料中呈现液丝、液膜与液滴状态,并不断聚并-分散,相界面不断更新,起初随着超重力因子的增大,液丝与液滴的直径变小,液膜变薄,气液相界面增大,传质系数提高,有利于传质进行;但β增大的同时,液体在填料在的停留时间变短,对传质不利,前者的作用大于后者,脱氨率增大;当β达到一定值后,液体的被破碎程度、液体湍动程度达到极限状态,液膜厚度趋于定值[11],停留时间成为脱氨率呈现减小趋势的主要因素。波纹丝网在β为133.2时,η达到最大值38.55%,xD达最低值0.102%;鲍尔环在β为164.5时,η达到最大值33.73%,xD达最低值0.115%。
从图2可以看出,在相同操作条件下,金属丝网的脱氨率总高于鲍尔环的脱氨率,说明波纹丝网的传质性能优于鲍尔环的传质性能。原因为波纹丝网的堆积密度与比表面积均大于鲍尔环,胶清在填料中形成液丝、液滴与丝网波纹填料碰撞机会多,液丝、液滴聚并分散频率大,表面更新速度快,传质性能优。
2.2液体流量对脱氨性能的影响
在胶清原料氨含量xw为0.166%、超重力因子β为133.2、空气流量G为700m3/h、胶清温度为18℃、空气温度为12℃条件下,胶清流量L对胶清出口氨含量xD和除氨率η的影响规律如图3所示。

由图3可知,不管是丝波纹网填料,还是鲍尔环填料,胶清出口氨含量xD均随着原料流量L的增加而升高,相应胶清脱氨率η逐渐降低。分析认为:当超重机转速不变时,在超重机内形成的超重力场强度不变,胶清在旋转填料内的流速不变,液体在填料中的停留时间不变,当胶清流量增大时,胶清在单位体积填料上液膜的厚度相应增大,液滴与液丝直径变大,单位体积胶清的相间比表面积减小,表面更新速率降低,对传质不利。同时,胶清流量增大,G/L相应减小,传质推动力减小,对传质不利。
在操作条件范围内,丝网波纹填料xD在0.093%~0.129%之间变化,η在22.29%~43.98%之间变化;鲍尔环填料的xD在0.109%~0.138%之间变化,η在16.87%~34.34%之间变化,说明鲍尔环的传质性能劣于丝波纹网填料。
2.3气体流量对胶清脱氨性能的影响

在胶清原料氨含量xw为0.166%、超重力因子β为133.2、胶清流量L为40L/h、胶清温度为18℃、空气温度为12℃条件下,空气流量G对胶清出口氨含量xD和除氨率η的影响规律如图4所示。
从图4中看出,两种填料胶清出口氨含量xD随着G的增加先快速降低后趋于平缓,η则相反。分析认为:G增加,气体在填料中的流速相应增加,气体在穿过填料时对液体的切割、
破碎作用增强,气液两相的湍动程度、接触面积和表面更新速度也随之增加,有利于传质进行;同时,空气在填料中的停留时间缩短,单位时间单位体积气体中氨的含量减小,平衡推动力加大,有利于胶清中氨的吹脱。同一操作条件下,波纹丝网的脱氨率高于鲍尔环填料。
在操作条件范围内,丝网波纹填料xD在0.102%~0.115%之间变化,η在30.72%~38.86%之间变化。鲍尔环填料的xD在0.109%~0.140%之间变化;η在15.66%~34.64%之间变化。

3传质性能对比

超重力胶清脱氨传质性能与其他技术的胶清脱氨传质性能如表1所示。
表1中三种方法所处理胶清原料都来源于广东某橡胶厂,因此胶清内部组成及成分含量大致相同。从表1可以看出,在原料浓度、温度相近的情况下,离心法的脱氨率为60%,曝气法的脱氨率为25%,离心法远优于曝气法,且曝气法设备体积庞大。但两者共同的缺点是开放式工艺,吹脱出的氨气较难收集处理,工况及空气污染严重。从单位长度填料脱氨效率比较,在较低操作温度与原料氨含量的情况下,超重力法单位填料的脱氨率为0.52和0.39,离心法为0.3,说明超重力法远优于离心法。

4结论

(1)超重力胶清脱氨传质性能优于曝气法和离心法,超重力胶清脱氨技术脱氨效率高、工艺流程简单、排出的气体宜收集回收利用,可推广应用于橡胶制备领域;
(2)在超重力胶清脱氨中,丝波纹网填料传质性能优于鲍
尔环;
(3)在其他操作条件不变的情况下,胶清脱氨率随胶清流量的增大而减小;随空气流量的增大而增大;随超重力因子的增大呈现先增大后减小趋势,存在最佳操作点。

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