制药工艺尾气中丙酮的膜法回收

赵明明(山东新华医药化工设计有限公司，山东 淄博 255000)

0 引言

丙酮，又名二甲基(甲)酮、阿西通，是一种无色透明的易流动流体，有芳香气味，沸点56.5 ℃，20 ℃下的饱和蒸汽压为24 kPa，极易挥发，高度易燃，对眼造成严重的刺激，可引起昏昏欲睡或眩晕，蒸汽与空气混合，能形成爆炸性混合物。丙酮与水混溶，可混溶于乙醇、乙醚、氯仿、油类、烃类等多数有机溶剂，为基本的有机原料和低沸点溶剂[1]。在制药企业中，丙酮作为溶剂被广泛应用，使用过程中产生大量含丙酮尾气，尾气中的丙酮具有很大的回收价值。

1 工艺尾气处理方法

《制药工业大气污染物排放标准》[2]对于排放大气的TVOC含量具有限值要求，对于非重点地区的TVOC排放限值为150 mg/m3，重点地区的TVOC排放限值为100 mg/m3，丙酮作为挥发性有机物，必须进行处理。常见的尾气处理方法有催化焚烧法、吸附法、深冷法、吸收法、光电催化氧化法、膜分离法等[3]。

催化燃烧方法是直接燃烧法的升级，将预热的工艺尾气通入负载贵金属催化剂的反应器床层，使有机物分解为二氧化碳和水。该烟气通过换热器与新鲜的工艺尾气换热，预热后的工艺尾气再进入反应器床层进行催化焚烧，同时也降低了烟气的排放温度。该方法设备操作简单，运行费用低，无焰氧化分解废气中的有机物，可以做到本质安全；但设备一次性投资较高，若尾气成分复杂的话，还易造成催化剂中毒失活，另外该方法也无法实现丙酮的回收[4-5]。吸附法一般以活性炭为吸附剂，需要二次脱附和再处理后得到丙酮；深冷法能耗高、投资大、运行成本高；吸收法一般以水为吸收剂，吸收后的丙酮水溶液需要再进行分离处理，回收得到丙酮；光电催化氧化法消耗电能，将丙酮分解为二氧化碳和水排放，同样无法回收丙酮。

膜分离法安全性好、运行费用低、工艺简单、回收效果好、无二次污染，可谓是一种“绿色高新技术”。该制药企业最终选择采用膜分离法来回收含丙酮尾气中的丙酮。

2 膜分离法应用

2.1 膜分离法原理

膜分离法的核心在于膜组件，卷式膜组件由中心管、导流网、膜、隔网等组成，膜对于丙酮分子和空气分子具有不同的选择透过性，丙酮尾气在膜内外压差的作用下，丙酮分子优先通过膜并富集在一侧，空气分子被截留在另一侧富集，从而实现丙酮和空气的物理分离，使得丙酮被回收利用，空气中丙酮含量大大降低，进一步处理后排放。

2.2 工艺说明

如图1所示，丙酮尾气汇集后，先经丝网除雾器除去尾气中可能夹带的微量水分，再经膜前冷凝器进一步冷凝水分或者过高含量的丙酮后进入膜前缓冲罐，当膜前缓冲罐压力达到设定的高限值时，真空泵启动，丙酮尾气进入膜法回收丙酮设备撬块，富集的丙酮气体经过真空泵进入真空泵后冷凝器冷凝，丙酮凝液进入丙酮回收罐收集，收集后的丙酮通过丙酮转料泵打至丙酮用点，未冷凝的丙酮气体重新返回膜前缓冲罐，回收丙酮后的尾气汇入车间尾气排放总管集中进入光电催化氧化系统处理达标后排放。当膜前缓冲罐压力低于设定的低限值时，真空泵停止运行。整个过程的运行通过膜前缓冲罐上的压力自动控制。

图1 工艺流程简图

2.3 主要设备选型

根据现场实际情况，丙酮尾气瞬时最大量能达到200 m3/h，以此最大量作为计算及选型依据。

分离膜选用丙酮分离膜，优先选择透过丙酮分子，膜法回收丙酮设备撬块通量200 m3/h，膜组件选用4支卷式膜组件，在撬块上预留接口，可以根据丙酮尾气量的变化添加膜组件，外壳及接管材质为S30408不锈钢材质。

膜前缓冲罐主要是防止丙酮尾气中的雾状液滴进入膜组件，在膜的表面出现液化现象，造成膜暂时失效，影响膜的正常使用。尾气停留时间选取9 s，则膜前缓冲罐的计算容积为200×9/3 600=0.5 m3，实际容积按照1 m3进行选型设计，选用立式罐，材质为S30408不锈钢材质。

真空泵选用双螺杆干式真空泵，极限真空≤5 Pa，抽气量根据膜组件数量选取，每个膜组件按照100 m3/h的抽气量考虑，则真空泵的设计抽气量为400 m3/h，真空泵电机的防爆等级不低于dIIBT4。真空泵后丙酮气体冷凝器的换热面积根据膜组件数量选取，每个膜组件按照需要5 m2的冷凝面积考虑，则冷凝器的换热面积为20 m2。冷凝器选用卧式管壳式冷凝器，物料走管程，材质为S30408不锈钢材质。

丙酮回收罐可满足一天的丙酮回收量即可，每天的丙酮回收量约为437 kg，因此丙酮回收罐的容积定为1 m3，罐选用立式罐，材质为S30408不锈钢材质。

涉及的工艺管道也都选用S30408不锈钢材质，垫片均选用聚四氟乙烯材质的非金属平垫片。

2.4 回收效果

根据理想气体状态方程换算得到丙酮饱和尾气中丙酮质量浓度的计算公式为：

式中：C理代表丙酮的质量浓度(g/m3)；P代表丙酮在温度T下的饱和蒸汽压(绝压，Pa)；M代表丙酮的摩尔质量(g/mol)；R代表摩尔气体常数J/(mol·K)；T代表温度(K)。

现场丙酮尾气实际浓度由饱和浓度乘上经验系数确定，即C实=C理×η，温度T取298.15 K，查得此温度下丙酮的饱和蒸汽压P为30 700 Pa，丙酮的摩尔质量M为58.08 g/mol，R为8.314 J/(mol·K)，η取 0.4，将上述数据代入公式得到C实=ηPM/RT= 0.4×30 700×58.08/(8.314×298.15)=287.73 g/m3。

膜法回收丙酮的回收率能保证在95%以上，每天按8 h计，则每天回收的丙酮量Md=0.95×8×QC实=0.95×8×200×287.73≈437 kg/d，一年按330 d计，则每年的丙酮回收量My=437×330=144 210 kg，丙酮价格按照7元/kg计算，则每年可回收丙酮的价值约为100万元。

3 结语

通过以上分析可以看出，丙酮尾气具有很大的回收价值，膜分离法对于尾气中的丙酮具有很好的回收效果，节约了资源，变废为宝，具有很好的经济效益。膜分离法绿色、无二次污染，值得推广应用。