真空蒸发中溶剂逃逸量的计算及冷阱应用.pdf

经 验 交 流 真空蒸发中溶剂逃逸量的计算及冷阱应用 宋志英 1 关绍泉 2 王志生 1 1 .河北工业大学化学工程研究所 , 天津 300130;2.中国石化海南炼油化工有限公司, 海南 海口市 571000 摘要 母液浓缩是制药行业不可缺少的工艺操作。 构建真空操作系统, 降低其沸点是确保热敏物质物性安全的技术 措施。 工程实践表明, 母液中的溶剂, 随真空度的升高, 逃逸量不断增加。以真空工程理论为依据, 研究溶剂逃逸的特 性, 尝试在原系统中增置“ 冷阱”机组, 溶剂的逃逸量得到大幅度的降低。 关键词 真空蒸发 冷凝器 逃逸量 冷阱 0 引言 母液浓缩是结晶前关键的操作单元 。该操作在 充分利用真空操作的优势 ,诸如母液的沸点降低保护 热敏物质不变质 、 可利用低品位的加热蒸汽等正面效 应外的同时,它的负面效应, 不容小视 。而最突出的 负面效应之一, 是溶剂蒸汽随真空抽气流而排出, 产 生严重的溶剂逃逸量问题。常见流程由图 1 所示。 调研中获悉 ,一厂家每月甲苯逃逸量竟高达20 t 。溶 剂耗损量巨大。逃逸的溶剂蒸汽或排入大气 ,或混入 水环真空泵循环水系统, 随后进入排水系统 ,污染了 环境, 增加了生产成本。与当前国家倡导的以“节能 减排”为核心的发展战略相悖 。 1外加热器; 2蒸发器; 3冷凝器; 4尾凝器; 5大气凝管; 6凝液储罐; 7水环真空泵; 8缓冲罐。 图 1 外加热器式负压蒸发系统 母液真空蒸发 浓缩 ,常采用如图 1 所示的负压 蒸发工艺流程。原料液由进料口不断进入加热器 1, 溶剂蒸汽进入冷凝器 3、尾凝器 4 冷凝 , 凝液进入储 罐6。不凝性气体由真空泵 7从尾凝器 4 中抽出, 经 缓冲罐 8 及其出气管排入大气。溶剂种类及其逃逸 量见表1 。 1 真空蒸发操作的理论基础 母液中溶剂的物理及热力学性质, 属于化工学科 范畴 。而在真空蒸发单元操作中, 涉及更多的理论及 工程概念, 隶属真空工程领域 。因此, 研究真空蒸发 浓缩 过程的机理 、 探究溶剂逃逸的原因 ,需要借助 真空工程技术领域的一些理论及工程概念作支撑 。 表 1 真空蒸发过程中溶剂种类及其逃逸量 调研单 位编号 辖地 系统压强 MPa 溶剂 种类 每批物料 总量 kg 每批物料 逃逸量 kg 01河南-0. 093乙酸乙酯14 5001 420 02山东-0. 088甲苯20 0001 700 03山东-0. 094甲醇10 000990 04天津-0. 095乙醇7 200710 注 逃逸量为年平均数值 1. 1 理想状态方程用于溶剂逃逸量计算的依据 处于真空状态下气体, 其分子浓度很低, 不论是 实际气体还是处在非饱和状态下的蒸汽 ,它们的规律 均非常接近于理想气体, 因此使用理想气体状态方程 时甚至不需要作任何修正便可应用 [ 1] 。 对此表述为 在极低压力下 ,不同气体分子因结构 性质的差异已不再影响其 P 、V、T 行为,随压力升高 , 物种特性的影响才逐渐显现出来 [ 2] 。显而易见, 理想 气体在客观上是不存在的, 它只是实际气体的一种极 限。但是,理想气体状态方程用作低压气体近似遵守 最简单的 P 、V、T 关系 ,具有极其重要的实际意义 。 理想状态方程可表述为下列形式 PV m M RT kg min 1 或 m MPV RT kg min 2 式中 P 该温度下的溶剂的饱和蒸汽压,Pa; m 气体的质量,kg ; V 气体体积, 此处视为真空泵的气体排 量,m 3 min ; R 普适气体常数 ,8. 314 5 J mol K ; M 气体的摩尔质量,kg mol ; 57 环 境 工 程 2008年 8 月第26 卷第4 期 T 热力学温度,K。 应用方程式 2 , 计算乙酸乙酯的逃逸质量与实 际测量逃逸质量对比过程中发现 , 其计算误差仅 为2. 6。 因此 ,无论是理论分析,还是工程应用实践,方程 2 作为负压系统溶剂逃逸量的计算公式 ,计算精度 及其误差完全符合工程设计要求。 1. 2 真空蒸发中影响溶剂逃逸量最强的因子 对蒸汽压力 P 与温度 T 的关系为 降低真空系 统中任何部位的温度 ,则可以减低系统中蒸汽的蒸汽 压 [ 1] 。该结论 ,将成为降低溶剂逃逸量而进行的真空 系统技术改造的理论支撑 。 蒸汽压 P 作为逃逸量计算的重要参量, Antoine 方程揭示了蒸汽压 P 与温度T 的关系, 表述为 lnPVPA -B T C 式中 A 、 B 、C Antoine 方程的常数; PVP 在温度 T 时的饱和蒸汽压 ,Pa ; T 热力学温度,K。 根据逃逸量计算方程式 2 分析 , 式中 T 降低, 其它参量不变, 逃逸量 m , 随之降低; 而 T 降低同时 会影响P 的降低 通过参考乙酸乙酯在不同温度下 的蒸汽压 [ 3] 。因此, T 的降低产生双重因子影响逃 逸量m 。 由此认为 降低真空系统的局部温度 T , 是降低 溶剂逃逸量 m 的关键和根本。 2 真空蒸发过程中, 母液溶剂逃逸的原因与讨论 根据热力学方程 Q AKΔt 3 式中 A 冷凝器换热面积 ,m 2 ; Q 单位时间内处理物料的总热量 ,kJ h; K 冷凝器总的传热系数 ,W m 2℃ ; Δt 饱和蒸汽与冷却水平均温差, ℃。 当蒸发强度一定 , 冷凝负荷则为一定值 。式 3 中的 Q 则为常量。蒸发产生的溶剂蒸汽能否完全最 大限度地被冷凝 ,是决定溶剂逃逸大小的关键 。而影 响冷凝传热的因素主要是 总换热系数 K A 与K 互 为函数关系及与之匹配的冷却水温度 t 。 2. 1 冷凝器总传热系数 K 选取失当 ,导致冷凝器换 热面积不足 真空蒸发的负面效应之二 , 随溶剂沸点的降低, 冷却水的温度须随之降低, 导致冷、热流体的黏度增 大,传热系数必有相当幅度的下降 [ 4] 。根据传热系数 公式 α0 ℃0. 023 u 0. 8 d0. 2 ρ0. 8 Cp 0. 4 λ 0. 6 μ0. 4 4 通过实际计算, 试图求解不同温度的冷却水对传 热系数 α 的影响程度 。一般气体冷凝在冷凝器中的 路径为待冷凝蒸汽进入冷凝器的壳程,而冷却水流经 管程。以0、 40 ℃两个温度下的冷却水为例 ,依次算 出各自的传热系数。在此基础上,求出 2 个温度下的 传热系数 α 之比为 α0 ℃ α40 ℃62. 3 根据传热理论, 冷凝总传热系数 K 的大小 ,主要 取决于传热阻力较大的无相变的冷却水圆管内的强 制湍流传热系数 α ,因此有 K ≈α 水的关系确立。 在真空操作中, 定会有空气漏入系统 [ 5] , 常压下 溶解在溶液的空气, 在负压及加热状态下逐步释 出 [ 6] ,两股空气与待冷凝溶剂蒸汽混在一起, 增加了 溶剂蒸 汽冷凝 传热的 阻力 。前 苏联学 者 В. А. Г у д ы м ч у к对此作了潜心的研究 ,测定结果在 1958 年 公开发表。 [ 7] 蒸汽中即使只含有 1的空气 , 也会导 致冷凝传热系数降低 60 。这一著名结论 ,在我国 换热器设计 [ 7] 等多部工具书中 ,被援引至今。 真空蒸发操作中, 蒸汽冷凝传热 , 上述两种不利 因素共存 , 总传热系数 Kz在常压取值范围的基础 上,将同时经历由两种因素引起的大幅度消减的过 程 1 由于冷热流体温度随真空度提升而降低 ,迫使 Kz值第一次消减 ; 2 由于不凝性气体的混入, 迫使 Kz值第二次消减。 Kz经过上述 2 次大幅度的消减 , 其数值与常态 下相比,相差较大。这是真空冷凝器总传热系数选取 的基础 。由于 Kz的取值大小, 将直接决定着冷凝 器、 尾凝器的传热面积。因此, 冷凝器充裕的传热面 积,是保证减少溶剂蒸汽逃逸量的结构措施。而选择 适宜的Kz值,是工程设计人员必须强化的理念。不 然,将导致溶剂逃逸量骤增的严重后果。 2. 2 相匹配的冷却水温度是遏制溶剂逃逸量的外部 原因 通过降低系统溶剂蒸汽压 P ,降低溶剂逃逸量 m 的可操控的外部条件之一 ,则是依靠降低冷凝器冷凝 表面的温度来实现 。除冷凝器有充裕的换热面积之 外,降低冷凝器的冷却水温度是解决问题的另一根本 途径 。 以乙酸乙酯为例, 假设所在的真空系统中, 真空 泵的排气量为6 m 3 min, 当尾凝器的冷却水的温度为 58 环 境 工 程 2008年 8 月第26 卷第4 期 - 20 ℃,其逃逸量仍依据公式 2 计算 , 若每批料处 理10 h, 总逃逸量将不会低于130 kg 。 因此, 根据溶剂允许最小逃逸量 , 确定低温冷却 水的上限温度, 是抑制 、降低溶剂逃逸量的唯一可操 控的工艺参数。 3 在原系统中增设冷阱机组,捕捉逃逸溶剂蒸汽 通过以上讨论与分析, 可以清楚地看到 ,引起溶 剂逃逸 2 个根本原因是 1 换热面积严重不足 ; 2 冷却水温度偏高 。在真空工程技术中, 冷阱是捕捉应 回收而随系统逃逸气体的有力设施 [ 1] 。而由换热面 积充裕的深度冷凝器和低温水机组构建的所谓的冷 阱机组,恰巧弥补了原真空系统中产生溶剂逃逸的 2 个重大缺陷。 系统改造流程如图 2。 1真空泵; 2气液分离器; 3深度冷凝器; 4凝液储罐; DS低温水回水; DS ′ 低温水进水。 图 2 母液浓缩系统冷阱在工艺流程中的位置 低温盐水 DS 进水由制冷机组生产 , 以满足深度 冷凝器 3 对冷却水温度与水量的需求。原来溶剂蒸 汽逃逸部分,同样被真空泵的抽气流带出原尾凝器, 进入新增设的低温盐水供给深度冷凝器 3 的壳程内。 在低温环境下, 蒸汽压将大幅度降低。原本逃逸的溶 剂蒸汽将被在冷阱中被捕捉, 凝为液体 , 流入溶剂储 罐4 内 。 对原系统的技术改造过程中 ,深度冷凝器 3 的换 热器面积确定与结构设计是十分重要的环节。按冷负 荷及其最低温度选择制冷机组,则是另一关键环节 。 4 含乙酸乙酯母液真空蒸发系统改造的工程实践及 其技术经济分析 在原系统中增添了如图 2 所示的冷阱机组。需 要设计与计算的内容有 1 选取适宜的总传热系数 K [ 8 -9] , 确定深度冷凝 器3 的换热面积 ,并对其进行结构设计。 2 计算冷却水的最低温度 ,与供水量 。 3 根据冷负荷及最低温度的要求, 选择冷传媒 的类型。对制冷机组选型 。 4 设计带有气体捕捉功能的凝液储罐 4。 增加冷阱机组后 ,逃逸量由原来的 10左右, 降 低为 1左右 。每批收回溶剂1 350 kg , 极大地减轻 了环境保护的压力, 降低了生产成本 。 技术改造后 ,回收乙酸乙酯增加的资金收入为 7 600元 t 1. 350 t 10 260 元 批 ; 按每年生产 300 批计算,回收溶剂所增加的收入 为307. 8 万元 a, 扣除设备投资及全年操作 、维修费 用外运行结果表明 不足 2 个月, 将全部收回设备投 资。全年净收入约 280万元。 5 结论 1 由于对真空蒸发过程认知的局限 ,总传热系 数K 的选取多为常压操作经验所左右 ,致使冷凝器 传热面积严重不足。这是溶剂大量逃逸的结构原因。 2 冷凝器所用冷却水的最低温度与实际要求的 偏离 水温偏高 ,是溶剂逃逸的外部原因 。 3 通过增加冷阱机组 ,降低原真空蒸发中溶剂 逃逸的工程实践 ,完全可以移植到有 真空 母液蒸发 操作的任何一家企业 。应用前景广阔,意义深远。 参考文献 [ 1] 徐成海. 真空工程技术. 北京 化学工业出版社, 2006 [ 2] 天津大学 物理化学教研室. 物理化学. 第三版. 北京 高等教育 出版社, 1992 [ 3] 化学工程手册编委会. 化工基础数据1 卷 第1 编. 北京 化学工 业出版社, 1989 [ 4] 化学工程手册编委会. 蒸发与结晶 2 卷 第 9 编. 北京 化学工 业出版社, 1989 [ 5] 蒋作良. 药厂反应设备及车间工艺设计. 北京 中国医药科技出 版社, 1994 [ 6] 国家医药管理局上海医药设计院. 化工工艺设计手册. 北京 化 学工业出版社, 1986 [ 7] С о к о л о в Е Я. Т е п л о в ы е х ар а к т е р и с т и к и т е п л о о б м е н н ы х ап п а р а т о в . Т е п л о э н е р г е т и к а,1958 [ 8] 陈敏恒, 丛德滋, 齐明斋. 化工原理. 上册. 第二版. 北京 化学工 业出版社, 1999 [ 9] 钱颂文. 换热器设计手册. 北京 化学工业出版社, 2002 鸣谢 承蒙真空技术主编徐成海教授、上海华东理工大学齐明斋教 授提供权威的工程数据, 在此表示由衷的感谢 感谢本校于文奎教授 的热情指导, 感谢何秀珍、杨振生、张文林副教授的真诚帮助。 作者通信处 宋志英 300130 天津市 河北工业大学化学工程研 究所 E -mail ctstszy hebut. edu. cn 2007- 10-29 收稿 59 环 境 工 程 2008年 8 月第26 卷第4 期 THE TECHNIQUES AND STRUCTURE OF CAPS WASTE INCINERATION SYSTEM Cheng Baohua Hu Yaxin He Gang et al 48 Abstract Four municipal waste incinerators have been built in HuizhouWaste Incineration Power Plant.Based on the project inHuizhou, the treatment techniques of the CAPS refuse -incinerationg system; the structure and characteristics of the incinerator have beendeeply researched. And the differences among grate furnace, CAO incinerator and CAPS system were also compared. Keywords CAPS pyrolysis refuse incineration PRIMARY RESEARCH INTO DENSITY OF IMMOBILIZED MICROORGANISM PARTICLES Qin Yuntie Zhang Xiaoping Wang Xiu 51 Abstract It was discussed that several factors influencing the density of immobilized beads. The results showed increasing the proportion of sludge, changing the concentration of calcium chloride and reducing the diameter of particles, all could increase the density of immobilized parti- cles; altering barium chloride as immobile solution, adding materials such as sand or activated carbon etc. could effectively increase the density of immobilized particles. Keywords immobilization density floating fluidization wastewater treatment SAFETY OF MSWI FLY ASH AS A COMPONENT OF COMPOSITE CEMENTITIOUS MATERI- ALSShi Huisheng Kan Lili 53 Abstract Safety uation of MSWI fly ash used as a component of composite cementitious material was done from points of chemical s, surface leaching toxicity and leaching ratio of heavy metals. Results showedthat the heavy metals like Zn、Pb、Cr、Cd and Cu etc. Leached by water were rich in it. After being used as a component of composite cementitious material, mechanical properties met the usage demand and steady ratios of heavy metals inMSWI fly ash-cementmatriceswere increased. The capacity of hardened pastes resistance to long -term sur - face leaching wasbetter. The mineraladditives benefited the heavy metals immobilization. It can be postulatedthat MSWI fly ashwas a safe addit - ive used in cement matrix. Keywords MSWI fly ash heavy metals leaching mineral additives CALCULATION OF SOLVENT RUNAWAY IN VACUUM EVAPORATORANDCOLD TRAP APPLI- CATIONSong Zhiying Guan Shaoquan Wang Zhisheng 57 Abstract Mother liquid concentration is an indispensable process operation in pharmaceutical industry , and the measure for protecting the safety of heat sensitive matter was depressing itsboiling point invacuum operation system. Itwas demonstratedby engineering practice that the run - away solvent inmother liquidwas increasedwith anincrease in vacuum. Based on vacuum engineering theory , the runaway solventwasreduced ob - viously by looking for the reason and adding cold trap set in the original system. Keywords vacuum evaporation condenser amount of runaway cold trap THE ENVIRONMENT DETECTING SYSTEM USED IN THE ENERGY INDUSTRY BASED ON ETHERNET AND WIRELESS COMMUNICATION TECHNOLOGYLi Wei Chen Ming 60 Abstract For the complicated environment in the oil field, mine and gas well, the field environment detecting system must be strict with the installation, layout and the real -time for the environment detecting.It is shown the environment detecting system based on ethernet andwire - less communication technology , which uses the MSP430F149 to design the data -detecting terminal and AT91SAM9261 to design the controller. The system overcomes the disadvantages for the difficult wirings remote monitoring and inconvenient movement in the field of the energy indus - try. It was described in detail the schematic, structure and software design for the field controller. Keywords AR M9 ethernet wireless communication THE SYNTHETICAL UATION AND COMPARED STUDY ON INDOOR AQI Gao Hongwu 62 Abstract By monitoring the samples of indoor air, the data were obtained and analyzed. Then using the of maximum and average exponent, at the same time considering the exponent of air quality, the comprehensive exponent of indoor air quality and the partial expo - nent of aldehyde were uated. The relation of the comprehensive exponent and the partial exponent of aldehyde in the monitoring sam- ples was also analyzed. The results show that the comprehensive exponent and the partial exponent of aldehyde decrease gradually along with the increasing of fitment years, the variational curve of the comprehensive exponent and the partial exponent of aldehyde in indoor is almost same. The comprehensive exponent is linear with the partial exponent of aldehyde. Keywords indoor air pollution quality monitoring uation THE EXISTING PROBLEMS OF PRIMARY DEDUSTING SYSTEMS FOR CONVERTERS OF PANZHIHUA IRON AND STEEL COMPANY AND IMPROVEMENT MEASURES Huang Weiguo 65 4 ENVIRONMENTAL ENGINEERING Vol. 26, No. 4,August, 2008