CN109999528B - 尾气处理系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种尾气处理系统。其中所述的尾气处理系统，用于对处理碳纤维生产制造工艺过程产生的尾气，包括溶剂回流装置，用于分离所述尾气中的溶剂成分及单体成分并使所述溶剂成分液化回流至处于所述尾气上游的脱单装置中。根据本发明的一种尾气处理系统，能够将碳纤维生产过程中产生的尾气中的溶剂成分可控的回流至脱单装置中，从而有利于实现对纺丝原液的粘度及固含量的精准控制及纺丝质量的提高，并有利于寻求最佳性能指标的纺丝原液。

Description

尾气处理系统

技术领域

本发明属于碳纤维制造技术领域，具体涉及一种尾气处理系统。

背景技术

聚合是整个碳纤维生产过程的基础和起点，而其中的脱单工序对脱除物料中未聚合的少量的丙烯腈单体有着重要作用，如不经脱单处理，大量残留单体在后续纺丝过程中挥发离开体系，极易导致纤维内部形成空隙进而成为质量缺点，影响原丝质量，同时也将导致车间气味大，对生产人员的身体健康造成伤害。另外，在脱单实施过程产生尾气中含有的二甲基亚砜以及丙烯腈单体皆是碳纤维生产制造的原料，如果能够对其进行必要的回流、回收，则不仅能够有利于提高碳纤维产品的质量、更为环保，还能够将回收的原料再次投入生产制造，极大地节省碳纤维的生产制造成本。现有技术中往往将尾气进行单体及溶剂的同时处理，例如通过相应的冷却器对尾气进行冷却，进而实现对单体及溶剂的回收并进行相应的分离、提纯后实现原料的再次应用；但却很少有关注脱单过程中溶剂的损耗对纺丝原液的粘度和固含量的不利影响，例如随着脱单工艺的进行，溶剂例如二甲基亚砜随着单体的脱离大量挥发，从而使纺丝原液的粘度和固含量过高，降低纺丝的产品质量。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于提供一种尾气处理系统，能够将碳纤维生产过程中产生的尾气中的溶剂成分可控的回流至脱单装置中，从而有利于实现对纺丝原液的粘度及固含量的精准控制及纺丝质量的提高，并有利于寻求最佳性能指标的纺丝原液。

为了解决上述问题，本发明提供一种尾气处理系统，用于对处理碳纤维生产制造工艺过程产生的尾气，包括溶剂回流装置，用于分离所述尾气中的溶剂成分及单体成分并使所述溶剂成分液化回流至处于所述尾气上游的脱单装置中。

优选地，所述溶剂回流装置包括冷凝器本体，所述冷凝器本体包括壳体降温部及壳内降温部。

优选地，所述壳体降温部构造有第一冷凝管路，所述壳内降温部构造有第二冷凝管路，所述第一冷凝管路与所述第二冷凝管路并联于冷凝水供回管路中。

优选地，所述冷凝器本体的底端具有第一进气管，所述第二冷凝管路构造成具有凸起部的伞状结构，所述凸起部的凸起方向朝向所述第一进气管。

优选地，所述凸起部的轴线与所述第一进气管的轴线重合。

优选地，所述凸起部的末端形成圆锥体，且所述圆锥体的锥顶朝向所述第一进气管。

优选地，所述尾气处理系统还包括一级单体冷却回收装置、二级单体冷却回收装置、单体存储装置，所述一级单体冷却回收装置与所述二级单体冷却回收装置之间管路贯通连接，所述一级单体冷却回收装置具有第一尾气进口及第一单体回收口，所述二级单体冷却回收装置具有第二尾气出口及第二单体回收口，所述第一单体回收口、第二单体回收口分别与所述单体存储装置贯通，所述冷凝器本体的顶端具有第一出气管，所述冷凝器本体与所述第一尾气进口管路贯通连接。

优选地，所述二级单体冷却回收装置包括冷却器壳体及冷却介质雾化装置，所述冷却介质雾化装置产生的雾化冷却介质能够进入所述冷却器壳体内。

优选地，所述冷却介质雾化装置与所述冷却器壳体的相对位置可调节。

优选地，所述冷却介质雾化装置与所述冷却器壳体之间通过导轨组件活动连接，所述冷却介质雾化装置具有驱动齿轮，所述冷却器壳体上还固定设置有齿条，所述驱动齿轮与所述齿条啮合连接，当所述驱动齿轮被驱动旋转时，所述冷却介质雾化装置能够被所述导轨组件引导产生运动。

本发明提供的一种尾气处理系统，采用溶剂回流装置对尾气中的溶剂成分及单体成分进行分离，将其中的溶剂成分液化后直接回流到所述脱单装置中，这防止了液化后的溶剂成分在长度过大的管路中再次被气化挥发，更为重要的是，通过单独可控的溶剂回流装置能够更为精准的对所述溶剂成分的回流量进行控制，这从而有利于实现对纺丝原液的粘度及固含量的精准控制及纺丝质量的提高，并有利于寻求最佳性能指标的纺丝原液。

附图说明

图1为本发明实施例的尾气处理系统的结构示意图；

图2为图1中溶剂回流装置的内部结构示意图；

图3为图2中A-A的剖面结构示意图。

附图标记表示为：

1、溶剂回流装置；11、冷凝器本体；111、第一冷凝管路；112、第二冷凝管路；113、第一进气管；114、凸起部；115、第一出气管；116、圆锥体；2、一级单体冷却回收装置；21、入口；22、出口；3、二级单体冷却回收装置；31、冷却器壳体；32、冷却介质雾化装置；4、单体存储装置；10、脱单装置。

具体实施方式

结合参见图1至图3所示，根据本发明的实施例，提供一种尾气处理系统，用于对处理碳纤维生产制造工艺过程产生的尾气，包括溶剂回流装置1，用于分离所述尾气中的溶剂成分及单体成分并使所述溶剂成分液化回流至处于所述尾气上游的脱单装置10中。该技术方案中，可以理解的是，所述溶剂回流装置1直接处于所述脱单装置10的尾气出气位置，采用溶剂回流装置1对尾气中的溶剂成分及单体成分进行分离，将其中的溶剂成分液化后直接回流到所述脱单装置10中，这防止了液化后的溶剂成分在长度过大的管路中再次被气化挥发，更为重要的是，通过单独可控的溶剂回流装置1能够更为精准的对所述溶剂成分的回流量进行控制，这从而有利于实现对纺丝原液的粘度及固含量的精准控制及纺丝质量的提高，并有利于寻求最佳性能指标的纺丝原液。前述的溶剂例如可以是二甲基亚砜。

前述的技术方案可以理解的是，为了保证仅将所述尾气中的溶剂成分单独液化回流而保证其中的单体成分能够最大程度的被输送至后续流程中，所述溶剂回流装置1最好是以一种温度可控的方式对尾气中的单体成分及溶剂成分进行可控分离，具体的，最好保证尾气在所述溶剂回流装置1中的冷凝温度低于溶剂成分的液化温度而高于单体成分的液化温度，当然，这可以通过对具体的溶剂成分与单体成分进行合理选择实现，在一般的情况下，例如可以采用传统的套管式冷凝器即可实现。

进一步地，在某些特殊情况下，所述溶剂成分与单体成分的液化温度差距细微，此时提升尾气在所述溶剂回流装置1中的冷凝温度均衡性显得尤其重要。具体的，例如所述溶剂回流装置1包括冷凝器本体11，所述冷凝器本体11包括壳体降温部及壳内降温部，所述壳体降温部围绕所述冷凝器本体11的壳体壁设置，形成对冷凝器本体11内腔中处于相对外缘的尾气的冷凝作用，所述壳内降温部则用来对所述冷凝器本体11内腔处于相对中部的尾气进行冷凝，如此设计极为有利于对尾气的平衡均匀的冷凝，使溶剂成分的液化(析出)量更加精准可控，当然，可以理解的是，具体冷凝温度的改变依靠所述壳体降温部及壳内降温部中的冷却介质温度的改变，所述冷却介质例如冷冻水，此处不做过多描述。

更进一步的，由于所述冷凝器本体11的内腔为所述具有一定温度的尾气的直接流经空间，越靠近所述内腔的中心部位，其温度将越高，而温度越高，其换热的需求将越大，对于容积较大的所述冷凝器本体11这种现象将越明显，因此，优选地，所述壳体降温部构造有第一冷凝管路111，所述壳内降温部构造有第二冷凝管路112，所述第一冷凝管路111与所述第二冷凝管路112并联于冷凝水供回管路中，将所述第一冷凝管路111及第二冷凝管路112并联的连接于冷凝水供回管路中，能够灵活的对两个管路中的冷却水的温度及流量进行控制，这无疑也利于精准控制溶剂成分的回流量。前述的冷凝水供回管路可以采用一般的冷水机组及相应附件构造形成。

所述的第二冷凝管路112例如采用盘管的方式形成，或者采用管路编织形成网状，优选地，所述冷凝器本体11的底端具有第一进气管113，所述第二冷凝管路112构造成具有凸起部114的伞状结构，所述凸起部114的凸起方向朝向所述第一进气管113。采用该技术方案中的伞状结构，由于具有了朝向所述第一进气管113的凸起部114，能够对析出的溶剂成分进行引流，也即能够引导析出的液化溶剂成分回流至前述的脱单装置10中。进一步地，所述凸起部114的轴线与所述第一进气管113的轴线重合，此时保证了回流的液相溶剂成分能够更为快速的回流至脱单装置10，尽量减少在回流过程中由于新进尾气温度较高产生的二次挥发。

更进一步的，所述凸起部114的末端形成圆锥体116，且所述圆锥体116的锥顶朝向所述第一进气管113，可以理解的是，此时的新进尾气将被所述圆锥体116的锥面打散，这能够将温度较高的新进尾气细化后充分与前述的壳体降温部及壳内降温部接触降温。

所述尾气处理系统还包括一级单体冷却回收装置2、二级单体冷却回收装置3、单体存储装置4，所述一级单体冷却回收装置2与所述二级单体冷却回收装置3之间管路贯通连接，所述一级单体冷却回收装置2具有第一尾气进口及第一单体回收口，所述二级单体冷却回收装置3具有第二尾气出口及第二单体回收口，所述第一单体回收口、第二单体回收口分别与所述单体存储装置4贯通，所述冷凝器本体11的顶端具有第一出气管115，所述冷凝器本体11与所述第一尾气进口管路贯通连接，所述单体存储装置4例如为一种储液罐。可以理解的是，在具体应用时，所述第一尾气进口将与所述碳纤维生产制造部件例如反应釜或者脱单装置的尾气出口贯通连接。具体的，对于所述尾气中例如将会包含未能反应(聚合)完全的丙烯腈单体，因此，所述的一级单体冷却回收装置2及二级单体冷却回收装置3的设置目的在于将所述尾气的温度进一步地降低，进而通过温度的降低使尾气中的丙烯腈单体析出，以便于将析出的丙烯腈单体回收到所述单体存储装置4中，进而进行后续的提取工序以再次投入上游工序中，这一方面对所述尾气进行了清洁处理，提高所述尾气的环保性，防止对操作人员等产生人身伤害，另一方面，则将尾气中的单体回收进而大大降低碳纤维生产制造工艺的成本，值得一提的是，该技术方案采用二级冷凝方式对所述尾气进行降温处理，使通过所述第二尾气出口所排出的尾气中的单体含量尽可能的低，这无疑有利于提高环保性及生产性价比。

所述一级单体冷却回收装置2例如可以采用结构较为惯常的水冷式换热器即可，但惯常的水冷式换热器在散热芯部结构生产工艺方面较为复杂，其并不利于本发明中所述尾气中单体析出后的回收过程，因此优选地，所述一级单体冷却回收装置2包括冷却器本体，所述冷却本体构造有供冷却水循环流动的走水管路，所述走水管路具有入口21及出口22，所述冷却本体还构造有供尾气流动的走气管路。所述冷却器本体例如采用简单的套筒状结构(筒状结构采用易于换热的材料制作)，套筒状结构的中空位置为所述的走气管路，所述套筒状结构包括第一筒壁及第二筒壁，所述第一筒壁与第二筒壁之间具有间隔空间，所述间隔空间也即构成了所述走水管路。进一步地，所述入口21及出口22设置在所述间隔空间的对角两端，具体的，当所述套筒状结构竖直安置时(例如图1所示的方位)此时也可以理解为所述入口21及出口22分别处于所述套筒状结构的高点与低点位置。再进一步的，所述走水管路中的水的流向与所述走气管路中尾气流向相反，如此能够充分利用气流的对流方式实现冷却水对尾气温度的降低。而可以理解的是，所述冷却水的循环流动依靠外部的动力驱动实现，例如常见的水泵。可见，采用该技术方案中的结构在满足一级冷却功能的同时，将一级单体冷却回收装置2的结构简化，提高了其结构可靠性能。

所述二级单体冷却回收装置3在具体结构上当然可以与前述一级单体冷却回收装置2相同，这样存在进一步简化系统结构的优势，但是由于采用了相同的冷却方式，使对尾气处理的效果不能得到互补性提高，因此，优选地，所述二级单体冷却回收装置3包括冷却器壳体31及冷却介质雾化装置32，所述冷却介质雾化装置32产生的雾化冷却介质能够进入所述冷却器壳体31内。可以理解的是，所述二级单体冷却回收装置3由于采用了冷却介质雾化装置32从而使其具备了更强的冷却换热能力，这是由于所述冷却介质雾化装置32雾化后的冷却介质与所述尾气接触面积急剧增大，从而极大的提升了对所述尾气的冷却效果，尾气中单体的析出更加彻底。进一步地，所述冷却介质雾化装置32的雾化对象为无离子水，采用无离子水能够有效防止采用其他冷却介质可能对回收的单体例如丙烯腈单体的污染，并极大便利后续对所述单体存储装置4中的单体的浓缩提纯工艺。

由于该系统中的所述二级单体冷却回收装置3的第二尾气出口将与下游的其他部件关联，一般而言可能与焚烧炉贯通，以能够进一步对尾气中的其他有害物质进行处理，也有利于进一步将含有在尾气中的极少单体最终消除。而最好的，当然是能够在所述二级单体冷却回收装置3中最大程度的将混杂的单体消除回收，基于此，优选地，所述冷却介质雾化装置32与所述冷却器壳体31的相对位置可调节，具体的所述的相对位置调节是针对所述冷却介质雾化装置32能够在所述冷却器壳体31内行走，例如当所述冷却器壳体31为筒时，所述冷却介质雾化装置32能够沿着所述筒的高度方向上下移动，如此，能够极大程度的将尾气与雾化冷却介质充分接触，更进一步的提升冷却效率。具体的，例如，所述冷却介质雾化装置32包括喷雾头、水泵及冷却介质箱体，三者之间通过管路连接为一个有机整体，冷却介质雾化装置32(例如通过其具有的安装底座)与所述冷却器壳体31之间通过导轨组件活动连接，所述冷却介质雾化装置32具有驱动齿轮，所述冷却器壳体31上还固定设置有齿条，所述驱动齿轮与所述齿条啮合连接，当所述驱动齿轮被驱动旋转时，所述冷却介质雾化装置32能够被所述导轨组件引导产生运动。所述驱动齿轮例如通过与所述水泵的转轴连接，从而保证了所述冷却介质雾化装置32的结构紧凑性。

如前所述，所述二级单体冷却回收装置3的第二尾气出口将与下游的其他部件关联，一般而言可能与焚烧炉贯通，以能够进一步对尾气中的其他有害物质进行处理，也有利于进一步将含有在尾气中的极少单体最终消除，因此，最好是能够对所述第二尾气出口输出的尾气的有害物质进行检测，以明确下游相应设备是否开启以及采用何种运行参数，例如，可以在所述第二尾气出口处设置有害物质监测装置，具体的，所述有害物质监测装置可以是对尾气中的一氧化碳、硫化氢等进行监测。

为了进一步说明本发明的技术方案的有益效果，以下结合具体生产实例进行说明。

实施例1

针对国内碳纤维生产的聚丙烯腈聚合脱单过程中产生的丙烯腈单体和二甲基亚砜尾气的回收及对纺丝原液固含量的调控。将温度为65℃的聚合液，以1.8t/h的流量进入脱单装置，脱单系统的真空度为0.45kPa(绝对真空度)，溶剂回流装置1温度约37℃，冷冻水温度约为8℃，冷冻水流量15m³/h，一级单体冷却回收装置2温度约28℃，循环冷却水温度约为27℃，循环冷却水流量70m³/h，二级单体冷却回收装置3中无离子水流量10ml/h，温度为20℃，经运行脱单后的纺丝原液固含量为19.32％，二甲基亚砜的回收率为99％，当冷凝回流装置温度约39℃时，脱单后的纺丝原液固含量为19.47％。

实施例2

针对国内碳纤维生产的聚丙烯腈聚合脱单过程中产生的丙烯腈单体和二甲基亚砜尾气的回收及对纺丝原液固含量的调控。将温度为70℃的聚合液，以2.5t/h的流量进入脱单装置，脱单系统的真空度为0.30kPa(绝对真空度)，溶剂回流装置1温度约38℃，冷冻水温度约为8℃，冷冻水流量15m³/h，一级单体冷却回收装置2温度约28℃，循环冷却水温度约为27℃，循环冷却水流量70m³/h，二级单体冷却回收装置3中无离子水流量10ml/h，温度为20℃，经运行脱单后的纺丝原液固含量为19.52％，二甲基亚砜的回收率为99％，当冷凝回流装置温度约43℃时，脱单后的纺丝原液固含量为20.15％。

本领域的技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各有利方式可以自由地组合、叠加。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种尾气处理系统，用于对处理碳纤维生产制造工艺过程产生的尾气，其特征在于，包括溶剂回流装置(1)，用于分离所述尾气中的溶剂成分及单体成分并使所述溶剂成分液化回流至处于所述尾气上游的脱单装置(10)中；所述溶剂回流装置(1)包括冷凝器本体(11)，所述冷凝器本体(11)包括壳体降温部及壳内降温部；还包括一级单体冷却回收装置(2)、二级单体冷却回收装置(3)、单体存储装置(4)，所述一级单体冷却回收装置(2)与所述二级单体冷却回收装置(3)之间管路贯通连接，所述一级单体冷却回收装置(2)具有第一尾气进口及第一单体回收口，所述二级单体冷却回收装置(3)具有第二尾气出口及第二单体回收口，所述第一单体回收口、第二单体回收口分别与所述单体存储装置(4)贯通，所述冷凝器本体(11)的顶端具有第一出气管(115)，所述冷凝器本体(11)与所述第一尾气进口管路贯通连接；所述二级单体冷却回收装置(3)包括冷却器壳体(31)及冷却介质雾化装置(32)，所述冷却介质雾化装置(32)产生的雾化冷却介质能够进入所述冷却器壳体(31)内；所述冷却介质雾化装置(32)与所述冷却器壳体(31)的相对位置可调节；所述冷却介质雾化装置(32)与所述冷却器壳体(31)之间通过导轨组件活动连接，所述冷却介质雾化装置(32)具有驱动齿轮，所述冷却器壳体(31)上还固定设置有齿条，所述驱动齿轮与所述齿条啮合连接，当所述驱动齿轮被驱动旋转时，所述冷却介质雾化装置(32)能够被所述导轨组件引导产生运动。

2.根据权利要求1所述的尾气处理系统，其特征在于，所述壳体降温部构造有第一冷凝管路(111)，所述壳内降温部构造有第二冷凝管路(112)，所述第一冷凝管路(111)与所述第二冷凝管路(112)并联于冷凝水供回管路中。

3.根据权利要求2所述的尾气处理系统，其特征在于，所述冷凝器本体(11)的底端具有第一进气管(113)，所述第二冷凝管路(112)构造成具有凸起部(114)的伞状结构，所述凸起部(114)的凸起方向朝向所述第一进气管(113)。

4.根据权利要求3所述的尾气处理系统，其特征在于，所述凸起部(114)的轴线与所述第一进气管(113)的轴线重合。

5.根据权利要求3所述的尾气处理系统，其特征在于，所述凸起部(114)的末端形成圆锥体(116)，且所述圆锥体(116)的锥顶朝向所述第一进气管(113)。

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