苗 方，高 紅

（中海石油化學(xué)股份有限公司，海南 東方 572600）

我公司擁有一套CO2合成可降解塑料的工業(yè)放大試驗(yàn)裝置。在裝置的試車期間，原料真空干燥釜系統(tǒng)開車后，按照設(shè)計(jì)時(shí)間運(yùn)行，原料水分偏高，達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。后來調(diào)整了運(yùn)行參數(shù)，延長運(yùn)行時(shí)間，提高操作溫度，但原料干燥效果提升不大，收效甚微。由此增加了裝置的能耗，且原料水分偏高降低了后續(xù)單元催化劑的性能，影響了裝置的試車。所以，我公司技術(shù)人員對真空干燥釜進(jìn)行了技術(shù)改造。

1 真空干燥釜工藝流程及運(yùn)行參數(shù)

真空干燥釜為間歇式操作，主要設(shè)備有真空泵、帶攪拌器的真空儲罐、柱塞泵。工作時(shí)液體原料通過進(jìn)料口加入儲罐中，開啟攪拌器，儲罐夾套通蒸汽給儲罐內(nèi)原料加熱，啟動(dòng)真空泵系統(tǒng)建立真空，干燥釜通過加熱和抽真空來對里面的原料進(jìn)行干燥。按照設(shè)計(jì)時(shí)間預(yù)計(jì)原料干燥合格后，啟動(dòng)柱塞泵，原料打循環(huán)，取樣分析合格后，停攪拌器和真空泵，并破儲罐內(nèi)真空，通過柱塞泵把原料輸送到下一單元，然后再干燥下一釜原料。若不合格則繼續(xù)進(jìn)行干燥。

原料干燥前水分約為2 500×10－6。據(jù)原料的性質(zhì)，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，真空度一般控制在30Pa（A），釜內(nèi)原料溫度控制在120℃，運(yùn)行時(shí)間為6h。前幾次試車時(shí)，由于原料干燥后水分達(dá)不到設(shè)計(jì)指標(biāo)，因此延長了干燥時(shí)間，一般要運(yùn)行30h以上，且原料水分降到550×10－6時(shí)，基本不再降低。后來把釜內(nèi)溫度提高到150℃，由于真空泵的性能限制，真空度已不能再提高，原料干燥后水分稍有降低，約為534×10－6。而據(jù)裝置的工藝要求，水分要控制在500×10－6以下，且越低越好。

2 真空干燥釜工作原理

為了查清問題的原因，首先分析真空干燥釜的工作原理，根據(jù)理論尋求問題的解決辦法。

按照熱能供給濕物料的方式，物料的干燥可分為導(dǎo)熱干燥、對流干燥、輻射干燥和介電加熱干燥；按干燥介質(zhì)可分為空氣式、爐氣式及其他介質(zhì)；按壓力可分為常壓、減壓；按操作方式可分為連續(xù)、間歇式［1］。本干燥釜屬于間歇式、減壓、導(dǎo)熱干燥，干燥時(shí)不需要額外加入干燥介質(zhì)。

2.1 真空干燥的過程

真空干燥主要根據(jù)被干燥物料的沸點(diǎn)比水的沸點(diǎn)高的原理，且沸點(diǎn)差距越大，對干燥越有利。干燥釜工作時(shí)，物料在密閉的儲罐內(nèi)，真空泵抽真空降低罐內(nèi)壓強(qiáng)，水的沸點(diǎn)降低，例如，在4.24kPa（A）下，水的沸點(diǎn)即可降到30℃［2］；同時(shí)，對被干燥物料不斷加熱，使水分的汽化速度增加，物料內(nèi)部水分快速汽化到物料表面，而物料表面的水分通過壓力差和濃度差不斷擴(kuò)散到物料上部真空室的低壓空間，從而被真空泵抽走。系統(tǒng)壓力越低，溫度越高，干燥效果越好。由于液體原料也發(fā)生汽化，只是汽化的速度比水慢，因此，降低壓力，升高溫度，將增加原料的汽化損耗。

2.2 真空干燥的推動(dòng)力

當(dāng)被干燥物料表面水的蒸汽壓大于干燥介質(zhì)中水蒸氣的分壓時(shí)，物料表面的水分就會不斷汽化而被排出，而物料內(nèi)部的水分不斷擴(kuò)散到物料表面。圖1中A區(qū)為被干燥物料；B區(qū)為物料上方過渡層，厚度為δ，pw是物料表面的水蒸氣壓力；C區(qū)為真空罐上部的低壓空間，m為物料表面汽化的水分量，ps是物料上部儲罐中水蒸氣的分壓。干燥推動(dòng)力Δp＝pw－ps，該差值越大，干燥推動(dòng)力越大，干燥過程進(jìn)行得越快。當(dāng)釜內(nèi)壓力和溫度一定時(shí)，隨著干燥的進(jìn)行，氣相和液相都達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，即pw＝ps，物料不能再被干燥［1］。

圖1 真空干燥的推動(dòng)力示意圖

2.3 真空干燥的速度曲線

目前，對干燥機(jī)理的研究尚不夠充分，干燥的速度曲線主要依靠實(shí)驗(yàn)獲得。一般典型的干燥速度曲線如圖2所示［1］。

圖2 典型的干燥速度曲線

圖2中，AB階段為預(yù)熱階段，也叫調(diào)整階段；BC階段為恒速干燥階段，在這一階段，物料水分高，物料表面有充分的非結(jié)合水，物料表面的蒸汽壓與同溫度下水的蒸汽壓相等，干燥速度由水在物料表面汽化的速度所控制；CE階段為降速干燥階段，此階段物料表面水分逐漸減少，水分汽化速度逐漸降低，物料內(nèi)部水分移動(dòng)到表面的速度已趕不上物料表面水分汽化的速度，物料的干燥效果主要取決于該階段。因此，對干燥機(jī)理的研究大多集中在降速干燥階段。

實(shí)際生產(chǎn)中，由于物料的物理、化學(xué)特性千差萬別，干燥設(shè)備的不同，干燥速度曲線的具體形狀也不同，且差別很大。許多情況下干燥速度曲線在某一階段都不存在，或者存在時(shí)間極短。對于本干燥系統(tǒng)，由于物料中水分低，且物料一直被攪拌器攪拌，應(yīng)不存在恒速干燥階段。

3 物料干燥水分超標(biāo)原因分析

原料干燥前水分為0.25%，水分已經(jīng)很少，且原料純度比較高（98%以上），原料的物理性質(zhì)基本和純原料的物理性質(zhì)相同。常壓下被干燥原料的沸點(diǎn)約295℃，釜內(nèi)操作條件為120℃、30 Pa（A），在此條件下，水分和物料一起汽化并進(jìn)入物料上部儲罐空間；由于水的沸點(diǎn)較低，因此物料體系中水分的汽化速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于原料的汽化速度，氣相中水分的含量也要遠(yuǎn)高于液相中水分的含量，且氣相中水分的分壓ps逐漸升高。在儲罐上部形成水蒸氣和物料氣體組成的氣相體系（還有不凝性氣體）中，氣體分子越來越多，且壓力上升，多余的氣體分子被真空泵抽走，儲罐上方壓力始終維持在30Pa（A）。隨著干燥的進(jìn)行，物料內(nèi)水分逐漸降低，由于物料持續(xù)被攪拌器攪拌，物料內(nèi)部和表面的水分可以認(rèn)為是均勻的，干燥速度始終由水分在物料表面汽化的速度所控制。因此，物料表面汽化的水分逐漸減少，表面水蒸氣分壓pw也隨之降低，同時(shí)儲罐上方氣相中水蒸氣的分壓ps逐漸升高，因此Δp＝pw－ps逐漸變小，干燥速度也逐漸下降，pw越接近ps，干燥速度越小。據(jù)真空干燥釜實(shí)際運(yùn)行情況，原料中水分被降到550×10－6時(shí)，干燥幾乎不再進(jìn)行，可以判斷此時(shí)pw≈ps，干燥推動(dòng)力為零。因此，真空干燥釜在設(shè)計(jì)條件下運(yùn)行，原料達(dá)不到干燥的要求指標(biāo)。

4 技改思路和技改方案

4.1 技改思路

若不對設(shè)備進(jìn)行技改，只靠調(diào)整運(yùn)行參數(shù)、延長干燥時(shí)間、提高操作溫度、降低釜內(nèi)真空度，均對干燥有利。由于提高釜內(nèi)操作溫度及延長干燥時(shí)間已做過試驗(yàn)，效果甚微，且繼續(xù)增溫對后續(xù)單元有不利影響；由于真空泵的性能限制，真空度已不能再提高，因此，只能對干燥釜進(jìn)行技術(shù)改造。據(jù)干燥原理，物料干燥的推動(dòng)力為Δp＝pw－ps，應(yīng)該想辦法增加Δp，pw只和物料表面水分有關(guān)，水分越低pw越小，而在原料干燥指標(biāo)確定后，pw基本為定值，因此，對干燥釜的技改思路是想辦法降低儲罐上方水蒸氣的分壓ps，這樣在pw為定值的情況下，Δp＝pw－ps才可以增大。

4.2 技改方案

在儲罐上方氣相中持續(xù)加入微量干燥不凝性氣體，據(jù)道爾頓分壓定律，氣相總壓不變的情況下，可以有效降低氣相中水分的分壓ps，并且加入的不凝性氣體不能和罐內(nèi)原料產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)。據(jù)裝置現(xiàn)有資源情況綜合考慮，決定加入CO2。界區(qū)內(nèi)CO2價(jià)格低廉，水分為30×10－6，純度較高，基本無其他雜質(zhì)，CO2化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不易和其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)。加入的位置應(yīng)靠近原料表面，且盡可能讓其平均分布。據(jù)原設(shè)計(jì)參數(shù)，干燥釜運(yùn)行時(shí)原料在釜內(nèi)的液位高度一般為800mm，CO2加入的位置定在原料上方150mm處，這樣給液位留有一定裕量，防止液位偏高時(shí)氣體直接通入原料中濺起泡沫，同時(shí)可利用氣體從管道噴出時(shí)的初速度吹到原料的表面。因此，在儲罐內(nèi)部上方950mm處，增加一環(huán)形（1／2）″（1″＝25.4mm）不銹鋼管道。改造后干燥釜工藝流程如圖3所示。

圖3 改造后干燥釜工藝流程示意圖

儲罐內(nèi)徑1 200mm，環(huán)形不銹鋼管道圓環(huán)內(nèi)徑設(shè)計(jì)為600mm，環(huán)形管道正對液面的一側(cè)均勻開小孔，孔徑4mm，間隔20mm距離開一個(gè)，共90個(gè)小孔；不銹鋼圓環(huán)上部兩邊對稱焊接兩根供氣管線，并同時(shí)起到固定圓環(huán)的作用。如圖3所示，CO2從供氣總管進(jìn)入釜內(nèi)后，管道分為兩根，CO2分別從這兩根管道進(jìn)入環(huán)形管道中，由環(huán)形管道小孔處吹到液面上方，快速減小液面上方B區(qū)過渡層的厚度，稀釋水蒸氣的分壓。由于計(jì)劃加入的CO2氣量不大，CO2溫度對液體物料的溫度影響較小，因此暫不考慮給CO2加熱，常溫CO2氣體直接通過管道加入儲罐內(nèi)。

5 技改效果

據(jù)技改方案，干燥釜進(jìn)行了簡單改造，改造后進(jìn)行試驗(yàn)，干燥效果明顯提高，達(dá)到了預(yù)期的效果。由表1、2可知，改造后干燥時(shí)間大幅縮短，比原設(shè)計(jì)值6h還要短，干燥效果也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過原設(shè)計(jì)值。

表1 改造前干燥釜運(yùn)行情況

表2 改造后干燥釜運(yùn)行情況

6 關(guān)于技改的討論

（1）經(jīng)計(jì)算，改造所需材料費(fèi)和人工費(fèi)共約1 000元。按照干燥一釜為單元進(jìn)行計(jì)算，攪拌器功率約4kW，真空泵功率約11kW，改造前干燥一釜耗電量約為4×30＋11×30＝450kW·h；改造后干燥一釜物料耗電量為4×5＋11×5＝75 kW·h，則干燥一釜原料節(jié)省電能450－75＝375 kW·h，電費(fèi)按0.7元／（kW·h）計(jì)，共節(jié)省0.7×375≈262元。改造前后所用蒸汽量差別不大，改造前雖然干燥時(shí)間長，但到后期蒸汽已關(guān)閉基本無消耗。改造后增加了CO2的消耗，CO2用量約為1.5m3／h，干燥一釜原料用CO2為1.5×5＝7.5m3；公司購買CO2的價(jià)格為2.4元／m3，總費(fèi)用為2.4×7.5＝18元。故改造后干燥一釜原料可節(jié)省262－18＝244元?？偟膩碚f，經(jīng)濟(jì)效益顯著，并節(jié)省了大量時(shí)間。

（2）本干燥釜技改前屬于間歇、減壓、導(dǎo)熱式干燥設(shè)備，技改后通入不凝性氣體，實(shí)質(zhì)上增加了另外一種干燥方式，即對流干燥。但是通入的CO2由于沒有預(yù)熱，其導(dǎo)熱方式還是靠傳導(dǎo)方式給物料加熱，且CO2與被干燥物料沒有充分接觸，只是與被干燥物料上面的氣相充分混合，因此，嚴(yán)格說來只是擁有對流干燥方式的一部分。簡言之，該干燥釜技改后屬于間歇、減壓、傳導(dǎo)與對流方式相結(jié)合的干燥設(shè)備。

（3）干燥釜中通入不凝性氣體，在總壓不變的情況下，降低水蒸氣分壓的同時(shí)，也降低了氣相中原料的氣體分壓，增加了原料汽化的速度；不凝性氣體連續(xù)加入，并被真空泵持續(xù)抽走，氣相中原料氣體也一起被抽走，增加了原料的損耗。因此，干燥釜改造后，調(diào)整了運(yùn)行參數(shù)，操作壓力基本固定，主要調(diào)整操作溫度、運(yùn)行時(shí)間和通入CO2的量，目的是在滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)的同時(shí)，力求原料損耗最小。在操作時(shí)，如表2所示盡量降低釜內(nèi)溫度和CO2的量；在每次試車中，都經(jīng)多次調(diào)整，力求得到最佳的運(yùn)行參數(shù)。從原料干燥前后儲罐的液位來看，液位變化不大，表明原料損失不多。經(jīng)過多次試驗(yàn)，最后運(yùn)行參數(shù)定為：溫度67℃，運(yùn)行時(shí)間5h，CO2流量1.5m3／h，壓力還是30Pa（A）。

（4）真空釜中持續(xù)通入不凝性氣體，額外增加了損耗。不凝性氣體CO2和物料被抽出后，直接對外排放，理論上對環(huán)境有一定的污染。但因本裝置為工業(yè)放大試驗(yàn)裝置，規(guī)模小，對外排放量不多，對環(huán)境的影響甚微。如果擴(kuò)大裝置規(guī)模，則應(yīng)重新對充氣環(huán)形管道進(jìn)行設(shè)計(jì)，如增加環(huán)形管道的數(shù)量、增加環(huán)形管道上的小孔，讓CO2盡可能均勻地吹到原料液面上方，增強(qiáng)氣體的稀釋效果，盡可能減少CO2的用量；同時(shí)在真空管道吸入口處增加除沫器，真空排氣管上增加冷凝回收裝置，回收尾氣中的原料，如此既增加了效益，也消除了對環(huán)境的不良影響。

7 結(jié)束語

真空干燥釜經(jīng)過簡單改造后，提高了干燥性能，取得了預(yù)期的效果，為裝置的試車創(chuàng)造了有利條件，并為擴(kuò)大設(shè)備生產(chǎn)規(guī)模提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。在技術(shù)改造中，要重視基礎(chǔ)理論的研究，不管多復(fù)雜的設(shè)備，都離不開基礎(chǔ)理論的支撐，只有把最基礎(chǔ)的理論、原理搞清楚了，才能更好地為技改工作服務(wù)。同時(shí)，在實(shí)際工作中，如何根據(jù)自身實(shí)際情況有效利用現(xiàn)有資源及完成試車目的等，做到既節(jié)約技術(shù)改造投資，又能夠提高設(shè)備運(yùn)行效率，是值得我們重視的問題。

［1］譚天恩，麥本熙，丁慧華編著.化工原理 （第二版） （下冊）［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1990：201～231.

［2］譚天恩，麥本熙，丁慧華編著.化工原理 （第二版） （上冊）［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1990：331～332.