CN102671407A

CN102671407A - 一种脱除阴极电泳乳液中有机溶剂的方法及装置

Info

Publication number: CN102671407A
Application number: CN2012101544969A
Authority: CN
Inventors: 邱运仁; 韦玉青; 黎晓
Original assignee: Central South University
Current assignee: Hunan Kansai Automotive Coatings CO., Ltd.; Central South University
Priority date: 2012-05-18
Filing date: 2012-05-18
Publication date: 2012-09-19
Anticipated expiration: 2032-05-18
Also published as: CN102671407B

Abstract

一种脱除阴极电泳乳液中有机溶剂的方法及装置，本发明装置由双层锥形螺旋液流分配器、填料组成的填料塔，分配器由进液管、液位管、由两根圆管呈锥形螺旋环绕而成的双层布液管及与进料管连接的支梁组成，采用支梁固定在塔顶。阴极电泳乳液经预热后，从脱溶剂塔顶部进入填料塔，全塔采用真空操作，塔底通入低压水蒸气，塔顶流出的气相经冷凝分相得到水相和有机相，有机相可通过精馏精制回收，部分水相可补充入产品中，塔底得到脱有机溶剂后的电泳乳液产品。用本发明脱除阴极电泳乳液中有机溶剂具有流程简单、操作稳定易控、过程环保、有机溶剂脱除率高、所生产的环保型阴极电泳乳液质量稳定。

Description

一种脱除阴极电泳乳液中有机溶剂的方法及装置

技术领域

本发明涉及一种从阴极电泳乳液中脱除有机溶剂的方法及装置，特别是一种采用真空-低压水蒸汽汽提以高效脱除阴极电泳乳液中有机溶剂的方法及装置。

技术背景

阴极电泳乳液属于水性涂料，在汽车、建筑装饰、家用电器等领域中应用广泛，它通常是由树脂在水及阴极电泳乳液少量有机溶剂中乳化，形成均匀的粘稠乳液。当树脂充分溶解后，残留有机溶剂易挥发到空气中，生成剧毒氮氧化物，严重影响空气质量，因此基于环保要求及节约资源的需要，都必须将乳液中有机溶剂去除并加以回收利用。而且阴极电泳乳液中的酮、醚类有机溶剂均为紧俏的化工中间体，产能严重不足，依赖进口。因此，更有必要将其回收，既保证了阴极电泳乳液产品的安全环保性又可获得经济效益。聚合液中溶剂的脱除常采用沉析法和汽提法。沉析法由于普遍存在反溶剂消耗量大，成本高，脱除率低等缺点，在工业上未得到广泛应用。CN 1665846公开了一种蒸汽汽提脱溶剂方法，将单槽内拟似地分割多段，促使槽内气液两相成不同平衡状态，进行脱溶剂，但操作在常压下进行，有机溶剂脱除率不高，且装置较复杂，不利于大规模生产。CN 1809597在前者装置结构上进行改进，公开了另一种聚合液的脱溶剂方法，用多脱溶剂槽串联蒸汽汽提脱溶剂，处理对象为环烷烃、芳香族烃类聚合液，但是采用常压操作、蒸汽温度较高，易导致液体过热降解。US 4326926公开了一种在高压下将水蒸汽与果皮油对流传热后闪蒸脱香芹烯的方法，该方法依赖变压操作实现有机溶剂的脱除，条件控制复杂，能耗也较恒负压操作大。此外，US 2834754、US 4096160、US 4600436、CN 1370791、US 5922108、CN 1370792分别公开了多种用汽提法脱除聚硅氧烷乳液中环硅氧烷及其他低分子量硅氧烷的方法，但未涉及有机溶剂的脱除，且普遍存在传热速率小，脱除效率低、汽提后乳液粘度与汽提前相比变动等问题。

由于阴极电泳乳液具有高粘度及高温易变性，以上各种脱除有机溶剂的方法均不适合于阴极电泳乳液中脱除有机溶剂的处理。目前阴极电泳乳液脱溶剂采用负压间歇釜式脱除，虽然操作简单、但存在处理量小、操作时间长、脱除效率低、能耗高等缺点。目前尚没有在特殊填料塔中采用真空-低压水蒸汽汽提的方法来脱除阴极电泳乳液中有机溶剂的专利或文献报道。本发明针对阴极电泳乳液的高粘度及高温易变性，提供一种新型填料塔，采用真空-低压水蒸气汽提法，在更温和及更适宜的条件下实现阴极电泳乳液中有机溶剂的高效脱除，并保持产品质量的稳定性。脱出的有机溶剂易于回收利用，既可获得巨大的环保效益又具有巨大的经济效益。

发明内容

本发明提供一种脱除阴极电泳乳液中有机溶剂的方法及装置，其目的在于克服现有方法在脱溶剂过程中存在的传质效率小，料液过热、脱溶剂前后料液物性变动等问题，同时克服现有的传统液体分布器存在积液和料液对管道的粘黏问题，优化液体初始分布，减小由于液体不良分布所引起的放大效应，充分发挥填料效率。

一种脱除阴极电泳乳液中有机溶剂的方法及装置。由双层锥形螺旋液流分配器、填料组成的新型填料塔，含有机溶剂的阴极电泳乳液经预热到一定温度后，从脱溶剂塔的顶部进入塔，全塔采用真空操作，真空度可根据脱溶剂指标和预热温度而进行相应调整。塔底通入低压水蒸气，水蒸汽流量根据汽液比确定，塔顶流出的气相经冷凝分相得到水相和有机相，有机相可通过精馏精制予以回收，水相可通过流量阀补充入产品中，塔底则得到脱有机溶剂后的电泳乳液产品。

所述双层锥形螺旋液流分配器由进液管、液位管、由两根圆管、呈锥形螺旋环绕而成的双层布液管及与进料管连接的支梁组成，采用支梁固定在塔顶。

所述双层锥形螺旋液流分配器的两根布液管末端为封闭式，分别接液位管上端与下端，螺旋角为50~80°，底部均匀开孔，布孔密度不小于350个/m²，孔直径根据孔数与喷淋密度从上而下依次减小，取5~3 mm，且小于内管直径，使通过孔的液体平均流速不大于0.3 m/s。

所述双层锥形螺旋液流分配器的布液管最外圆直径与塔径之差等于布液管孔距。

所述双层锥形螺旋液流分配器的气相流经自由截面积大于60%。

所述原料阴极电泳乳液中有机溶剂质量百分浓度为2~6%。

所述原料预热温度为40~60 ℃。

所述真空度为80~98 kPa。

所述汽液比指低压水蒸汽流量和原料乳液流量的质量比，为0.005~0.05。

本发明“双层锥形螺旋液流分配器”与传统液流分布器在实际阴极电泳乳液汽提脱溶剂过程中相比较，有如下优点：

1双层锥形螺旋液流分配器的布液管在结构上采用螺旋锥形式排布，依靠布液管上下高度差提供液体由布液小孔流出的推动力，较槽式、管式及盘式液流分布器由液位管提供液流推动力具有更大的液体流率，这样即可避免高粘度阴极电泳乳液在管内的积液，又能防止阴极电泳乳液对小孔的粘黏，很适合于阴极电泳乳液的分配。

2双层锥形螺旋液流分配器的布液管由两根圆管组成，分别接液位管上端与下段。由于填料塔操作弹性取决于液体分配器的操作弹性，故有时要求液体分配器有较大的操作弹性。而由于分配的液体量与液位高度平方根成正比，故依靠液位管高度的变化并不能大范围地改变操作弹性。双层锥形螺旋液流分配器液位管上下端分别接不同的布液管，当液位较低时，管a则有液体自分布孔流出，随着液位管液面升高，管a布液孔的液体逐渐增加，当液位上升到高出与管b焊接位置下沿时，多余的液体流向管b，这时管b开始有液体流出，从而达到喷淋密度加大的目的。只要调节流量使液位避开不稳定点，即液位刚刚超过液位管与管b焊接位置下沿，便可实现两管稳态喷淋。由于这种双层布液管结构对流量变化具有良好的适应性，较现有的单层布液管液流分配器具有更高的操作弹性，可达1:10。

3双层锥形螺旋液流分配器的布液管为螺旋式，在输送阴极电泳乳液时，使乳液呈螺旋式湍动流下，由于阴极电泳乳液为假塑性流体，在多次变更流动路径后流体与输送管的剪应力急速下降，阻力降低，较传统槽式、排管式及盘式等直管液流分布器具有更高的流体动能，这样减少了液位管高度，节约了分配器空间。

4双层锥形螺旋液流分配器的布液孔直径根据孔数与喷淋密度自上而下依次减小，孔直径取5~3 mm，孔平均流率不大于0.3 m/s。由于上布液管内液位较低，下布液管内液位较高，在相同液体流量下，孔直径自上而下减小能保证分布的均匀性，减小分布器尺寸误差所造成的影响。孔直径不小于3 mm，不大于5 mm，孔平均流率不大于0.3 m/s，即可避免孔径过小而产生大量微细液滴，这些细微液滴极易被夹带，又可避免孔径过大造成液流分布不均，影响塔的正常操作。

5双螺旋锥形液流分配器结构紧凑，安装方便，无传统液流分配器因安装水平度误差造成液体流出小孔速率变化的问题，抗风载荷能力更强，能实现多塔径范围内阴极电泳乳液的均匀初始分布。

本发明采用真空-低压水蒸气汽提法脱除阴极电泳乳液中有机溶剂，其突出优点有以下几个方面：

本发明的方法，操作真空度为80~98 kPa，汽液质量比为0.005~0.05，经常压预热后的原料进入塔内，有机溶剂迅速闪蒸，从塔底来的低压蒸汽同时发挥降压与载体作用，进一步增强溶剂分子逸出液相的动力。由于负压操作，全塔乳液的平均温度为40~50℃，低于乳液热聚变温度(70℃) ，在不破坏乳液组成的前提下实现溶剂的高效脱除。以下对比数据得以说明：

条件：质量分数为5.4%甲基异丁基酮, 1.2%丁酮和93.4%水及成膜树脂的阴极电泳乳液，在安装有双层锥形螺旋液流分配器的填料塔中进行汽提实验。原料温度50℃，真空度80 kPa，每10 min取塔底产品进行气相色谱分析，四次取样分析的平均结果如表1：

表1 不同汽液质量比下阴极电泳乳液中有机溶剂的脱除效果

从上述结果可以看出，在真空操作下，随汽液质量比的增大，阴极电泳乳液中有机溶剂脱除率越高，而乳液温度稳定在42.0℃左右。

本发明的方法，进料温度低于该真空度下阴极电泳乳液中溶剂的沸点，使得脱除过程在一个较为温和的环境下进行，避免乳液发生聚变粘黏。

本发明的方法，以低压水蒸汽作为汽提气脱除阴极电泳乳液中有机溶剂，避免了空气汽提中有机溶剂不易冷凝回收及由于大量泡沫造成液泛及诸多非正常操作的问题；塔顶流出的气相经冷凝分相后，分别得到水相和有机相，有机相通过精馏精制予以回收，水相根据产品液的浓度补充至其中，即实现了有用物料的回收，又稳定了产品质量。

本发明在新型填料塔中，通过预热原料，负压操作，调节两相流量比，增加了阴极电泳乳液汽提过程的可控性，既克服了传统方法流程复杂，参数波动大，脱除前后产品性能变化等问题，又避免了目前工业上的负压间歇釜式操作引起的脱除效率低、有机溶剂残存量大等缺点。塔顶汽相温度低、冷凝器负荷小，溶剂易于冷凝回收。生产的环保型阴极电泳乳液质量稳定，可脱除阴极电泳乳液中有机溶剂的90%以上，乳液产品泳透力高、漆膜外观优良，固体份、MEQ和粒径波动范围小，可直接进行电泳涂装，既避免了使用乳液过程中对环境的污染，又可获得经济效益。

附图说明

图1是本发明双层锥形螺旋液流分配器侧面结构示意图；

图2是图1沿A-A线的上截面图。

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。

具体实施方式：

实施例1

如图1所示，采用高径比为10：1的直径为400 mm的填料塔，理论塔板层数为6块，填料上方安装有由进液管1、液位管2、由两根圆管a、b呈锥形螺旋环绕而成的双层布液管及与进料管连接的三根支梁3组成的双层锥形螺旋液流分配器，布液管螺旋角β为50°，布液管直径为20 mm，底部均匀开孔4，布孔密度350个/m²，布液孔直径为5~4 mm，塔顶通入含有机溶剂质量分数2.5%的阴极电泳乳液（固体份34%，MEQ26.3 mmol/100g，粒径0.1547 mm），进料预热至温度40 ℃，进料流量2000 kg/h，真空度95 kPa，水蒸汽流量50 kg/h，汽液流量比为0.025，液泛率56%。得到乳液产品流量1900 kg/h，其中含有机溶剂质量分数0.1%，脱除率96%，固体份35%，MEQ26.3 mmol/100g，粒径0.1525 mm。

实施例2

采用高径比为10：1的直径为400 mm填料塔，理论塔板层数为6块，填料上方安装有由进液管1、液位管2、由两根圆管a、b呈锥形螺旋环绕而成的双层布液管及与进料管连接的三根支梁3组成的双层锥形螺旋液流分配器，布液管螺旋角β为50°，布液管直径为25mm，底部均匀开孔4，布孔密度350个/m²，布液孔直径为5~4 mm，塔顶通入含有机溶剂质量分数5%的阴极电泳乳液（固体份34%，MEQ26.3 mmol/100g，粒径0.1547 mm），进料预热至温度55 ℃，进料流量2000 kg/h，真空度80 kPa，水蒸汽流量50 kg/h，汽液质量比为0.025，液泛率56%。得到乳液产品流量1900 kg/h，其中含有机溶剂质量分数0.2%，脱除率96%，固体份34%，MEQ26.3 mmol/100g，粒径0.1549 mm。

实施例3

采用高径比为10：1的直径为400 mm填料塔，理论塔板层数为6块，填料上方安装有由进液管1、液位管2、由两根圆管a、b呈锥形螺旋环绕而成的双层布液管及与进料管连接的三根支梁3组成的双层锥形螺旋液流分配器，布液管螺旋角β为60°，布液管直径为25 mm，底部均匀开孔4，布孔密度400个/m²，布液孔直径为5~4 mm，塔顶通入含有机溶剂质量分数5%的阴极电泳乳液（固体份34%，MEQ26.3 mmol/100g，粒径0.1547 mm），进料预热至温度60 ℃，进料流量2000 kg/h，真空度85 kPa，水蒸汽流量30 kg/h，汽液质量比为0.015，液泛率50%。得到乳液产品流量1900 kg/h，其中有机溶剂质量分数0.3%，脱除率94%，固体份34%，MEQ26.4 mmol/100g，粒径0.1562 mm。

实施例4

采用高径比为10：1的直径为400 mm填料塔，理论塔板层数为6块，填料上方安装有由进液管1、液位管2、由两根圆管a、b呈锥形螺旋环绕而成的双层布液管及与进料管连接的三根支梁3组成的双层锥形螺旋液流分配器，布液管螺旋角β为60°，布液管直径为25 mm，底部均匀开孔4，布孔密度400个/m²，布液孔直径为5~4 mm，塔顶通入含有机溶剂质量分数5%的阴极电泳乳液（固体份34%，MEQ26.3 mmol/100g，粒径0.1547 mm），进料预热至温度50 ℃，进料流量2000 kg/h，真空度85 kPa，水蒸汽流量40 kg/h，汽液质量比为0.02，液泛率53%。得到乳液产品流量1900 kg/h，其中有机溶剂质量分数0.2%，脱除率96%，固体份34%，MEQ26.3 mmol/100g，粒径0.1549 mm。

实施例5

采用高径比为10：1的直径为400 mm填料塔，理论塔板层数为6块，填料上方安装有由进液管1、液位管2、由两根圆管a、b呈锥形螺旋环绕而成的双层布液管及与进料管连接的三根支梁3组成的双层锥形螺旋液流分配器，布液管螺旋角β为60°，布液管直径为30 mm，底部均匀开孔4，布孔密度350个/m²，布液孔直径为5~4 mm，塔顶通入含有机溶剂质量分数5%的阴极电泳乳液（固体份34%，MEQ26.3 mmol/100g，粒径0.1547 mm），进料预热至温度55 ℃，进料流量3000 kg/h，真空度90 kPa，水蒸汽流量30 kg/h，汽液质量比为0.01，液泛率45%。得到乳液产品流量2800 kg/h，其中含有机溶剂质量分数0.01%，脱除率99.8%，固体份34%，MEQ26.3 mmol/100g，粒径0.1566 mm。

实施例6

采用高径比为10：1的直径为400 mm填料塔，理论塔板层数为6块，填料上方安装有由进液管1、液位管2、由两根圆管a、b呈锥形螺旋环绕而成的双层布液管及与进料管连接的三根支梁3组成的双层锥形螺旋液流分配器，布液管螺旋角β为70°，布液管直径为30 mm，底部均匀开孔4，布孔密度350个/m²，布液孔直径为5~3 mm，塔顶通入含有机溶剂质量分数6%的阴极电泳乳液（固体份34%，MEQ26.3 mmol/100g，粒径0.1547 mm），进料预热至温度60 ℃，进料流量4000 kg/h，真空度85 kPa，水蒸汽流量50 kg/h，汽液质量比为0.013，液泛率50%。得到乳液产品流量3800 kg/h，其中含有机溶剂质量分数0.5%，脱除率92%，固体份34%，MEQ26.5 mmol/100g，粒径0.1556 mm。

实施例7

采用高径比为12：1的直径为400 mm填料塔，理论塔板层数为8块，填料上方安装有由进液管1、液位管2、由两根圆管a、b呈锥形螺旋环绕而成的双层布液管及与进料管连接的三根支梁3组成的双层锥形螺旋液流分配器，布液管螺旋角β为70°，布液管直径为35 mm，底部均匀开孔4，布孔密度350个/m²，布液孔直径为5~3 mm，塔顶通入含有机溶剂质量分数2%的阴极电泳乳液（固体份34%，MEQ26.3 mmol/100g，粒径0.1547 mm），进料预热至温度55 ℃，进料流量2000 kg/h，真空度80 kPa，水蒸汽流量45 kg/h，汽液质量比为0.0225，液泛率60%。得到乳液产品流量1900 kg/h，其中含有机溶剂质量分数0.2%，脱除率90%，固体份35%，MEQ26.4 mmol/100g，粒径0.1552 mm。

实施例8

采用高径比为12：1的直径为400 mm填料塔，理论塔层数为8块，填料上方安装有由进液管1、液位管2、由两根圆管a、b呈锥形螺旋环绕而成的双层布液管及与进料管连接的三根支梁3组成的双层锥形螺旋液流分配器，布液管螺旋角β为75°，布液管直径为40 mm，底部均匀开孔4，布孔密度350个/m²，布液孔直径为5~4 mm，塔顶通入含有机溶剂质量分数5.5%的阴极电泳乳液（固体份34%，MEQ26.3 mmol/100g，粒径0.1547 mm），进料预热至温度60 ℃，进料流量2000 kg/h，真空度80 kPa，水蒸汽流量30 kg/h，汽液质量比为0.015，液泛率55%。得到乳液产品流量1900 kg/h，其中含有机溶剂质量分数0.4%，脱除率93%，固体份34%，MEQ26.3 mmol/100g，粒径0.1551 mm。

Claims

1.一种脱除阴极电泳乳液中有机溶剂的方法，其特征在于：含有机溶剂的阴极电泳乳液经预热后，从脱溶剂塔的顶部进入填料塔，全塔采用真空操作，塔底通入低压水蒸气，塔顶流出的气相经冷凝分相后得到水相和有机相，有机相通过精馏精制回收，部分水相补充入产品中，塔底则得到脱有机溶剂后的阴极电泳乳液产品。

2.一种脱除阴极电泳乳液中有机溶剂的装置，其特征在于：由双层锥形螺旋液流分配器和填料组成填料塔，所述双层锥形螺旋液流分配器由进液管、液位管及由两根圆管呈锥形螺旋环绕而成的双层布液管组成，两根布液管分别接液位管上端与下端，布液管最外圆直径与塔径之差等于布液管孔距。

3.如权利要求2所述的脱除阴极电泳乳液中有机溶剂的装置，其特征在于：所述双层布液管螺旋角为50~80°，气相流经分配器的自由截面积大于60%。

4.如权利要求2或3所述的脱除阴极电泳乳液中有机溶剂的装置，其特征在于：两根布液管末端为封闭式，底部均匀开孔，布孔密度不小于350个/m²，孔直径根据孔数与喷淋密度从上而下依次减小，取5~3 mm，且小于内管直径，使通过孔的液体平均流速不大于0.3 m/s。

5.如权利要求2所述的脱除阴极电泳乳液中有机溶剂的装置，其特征在于：所述双层锥形螺旋液流分配器采用支梁固定在塔顶。

6.如权利要求1所述的脱除阴极电泳乳液中有机溶剂的方法，其特征在于：所述原料阴极电泳乳液中有机溶剂质量百分浓度为2~6%。

7.如权利要求1所述的脱除阴极电泳乳液中有机溶剂的方法，其特征在于：所述原料预热温度为40~60 ℃。

8.如权利要求1所述的脱除阴极电泳乳液中有机溶剂的方法，其特征在于：所述真空度为80~98 kPa。

9.如权利要求1所述的脱除阴极电泳乳液中有机溶剂的方法，其特征在于：所述汽液比指低压水蒸汽流量和原料乳液流量的质量比为0.005~0.05。