波紋絲網(wǎng)填料的膠清脫氨傳質性能優(yōu)于鮑爾環(huán)

T然橡膠具有優(yōu)異的綜合性能，廣泛應用于工業(yè)、農業(yè)、 國防、運輸、交通、機械制造、醫(yī)藥衛(wèi)生日常生活等方面［1］。 膠清是由濃縮T然膠乳生產時從離心機中排出的重液，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，工業(yè)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(jù) Market－Houwink方程［η］= kMα 知，大分子物質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，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， 增加液體湍動性，破壞橡膠粒子周圍水化膜，降低膠清粘度，提G擴散系數(shù); ( 3) 增加氣液相接觸面積，提高傳質系數(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。為進一步提高膠清脫氨率，降低生產成 本，提高質量，論文以波紋絲網(wǎng)與鮑爾環(huán)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、設備體積小等優(yōu)點已應用于精餾、吸DAS= 7． 4×10－8 ×                s             可知，粘度增加，傳質系數(shù)減小，

A

μV0． 6收、納米材料制備、廢水脫氨等領域［7－9］

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(jié)。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。
 

圖 1 超重力膠清除氨工藝流程
Fig. 1    Flow chart
 
1. 3 工藝條件
超重機中超重力場的強度以超重力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。
研究用超重機為立式錯流超重機( 中北大學自制) ，填料內徑為 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。

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Y子對脫氨性能的影響

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 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， η   呈現(xiàn)先增加后減小趨勢。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(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，傳質系數(shù)   提高，有利于傳質進行;    但 β 增加的同時，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，脫氨率增 加;    當 β 達到一定值后，液體的被破碎程度、液體湍動程度達到極X狀態(tài)，液膜厚度趨于定值［11］，停留時間成為脫氨率呈現(xiàn)   減小趨勢的主要因素。波紋絲網(wǎng)在 β 為 133. 2 時，η 達到最D值 38. 55% ，xD 達Z低值 0. 102% ; 鮑爾環(huán)在 β 為 164. 5 時，η 達到最D值 33. 73% ，xD 達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)的傳質性能優(yōu)于鮑爾環(huán) 的傳質性能。原因為波紋絲網(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 會多，液絲、液滴聚并分散頻率大，表面更新速度快，傳質性 能優(yōu)。
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 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

波紋絲網(wǎng)與鮑爾環(huán)填料超重力膠清脫氨研究                                                              107

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，當膠清流量增加時，膠清在單位體積填料上液膜的厚度相應增加，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，對傳質不利。同時，膠清流量增加，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， 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)的傳質性能劣于波紋絲網(wǎng)填料。
2. 3 氣體流量對膠清脫氨性能的影響
 

圖 4    G 對 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、 破碎作用增加，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(wǎng)的脫氨率高于鮑爾環(huán)填料。在操作條件范圍內， 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。

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% ，離心法遠優(yōu)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，說明超重力法遠優(yōu)于離心法。

表 1   不同技術膠清除氨效果對比表
 

研究者                               技術 設備尺寸 工藝特點 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

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