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活性炭吸脫附+冷凝回收處理VOCs的幾點(diǎn)設(shè)計(jì)誤區(qū)

發(fā)布時(shí)間:2023-02-11 返回列表

活性炭吸附蒸汽脫附+冷凝回收是解決醫(yī)藥及農(nóng)藥等化工行業(yè)中高濃度鹵代烴廢氣的優(yōu)良解決方案,這里的核心是通過設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)優(yōu)良的過濾風(fēng)速和停留時(shí)間,同時(shí)注意活性炭吸附罐的材質(zhì)的選擇,一般要求選擇316L或2205的材質(zhì),加上合理的吸脫附程控制,在特定工況下,可能其實(shí)是優(yōu)于RTO系統(tǒng)的解決方案。

以下此類工藝經(jīng)常碰到的幾點(diǎn)設(shè)計(jì)考慮誤區(qū):

活性炭吸附箱

1、VOCs廢氣通過吸附床層的風(fēng)速

有很多教科書寫到,VOCs氣體通過吸附劑床層的風(fēng)速一般為0.2?0.6m/s。實(shí)際我們的《吸附法工業(yè)有機(jī)廢氣治理工程技術(shù)規(guī)范》(HJ 2026-2013)國家工程技術(shù)規(guī)范也是這么寫的。

通過工程實(shí)踐發(fā)現(xiàn),當(dāng)人們利用活性碳纖維作吸附劑處理VOCs時(shí),所使用的最大風(fēng)速不會(huì)超過0.15m/s,因?yàn)橛捎谑艿酱矊幼枇Φ南拗?,一般活性碳纖維層的厚度不會(huì)超過150mm。

那么為什么老的教科書給出這個(gè)數(shù)據(jù)呢?考查發(fā)現(xiàn):過去人們大都采用顆?;钚蕴孔魑絼?,它的床層厚度一般設(shè)計(jì)在0.2?0.8m,最大不會(huì)超過1.2m,所以就給出了這個(gè)數(shù)據(jù)。

實(shí)際上,通過工程實(shí)踐發(fā)現(xiàn),廢氣通過床層的速度是由廢氣在床層中與吸附劑的接觸時(shí)間決定的??偨Y(jié)工程實(shí)踐,廢氣在吸附床層內(nèi)與吸附劑的接觸時(shí)間為1?2s 即可將廢氣中的吸附質(zhì)吸附下來,也就是說,采用這樣的風(fēng)速,完全可以滿足治理要求。

2、脫附溫度

關(guān)于脫附溫度,很多人都認(rèn)為與吸附質(zhì)的沸點(diǎn)有關(guān),認(rèn)為要想把高沸點(diǎn)的物質(zhì)從吸附劑上脫附下來,脫附介質(zhì)的溫度必須高于該物質(zhì)的沸點(diǎn)。實(shí)踐證明這種觀點(diǎn)是錯(cuò)誤的。

以雙氧水行業(yè)回收三甲笨為例,三甲苯的沸點(diǎn)為164.7,而采用 100℃的水蒸氣即可將三甲苯完全脫附下來。有不少工程實(shí)踐都證明了這一點(diǎn)。

為此可以得出結(jié)論,吸附質(zhì)的脫附溫度與其沸點(diǎn)沒有直接關(guān)系,而是和它的飽和蒸氣壓有關(guān)。這個(gè)結(jié)論可以用脫附原理來說明。

大家都知道,要想使吸附質(zhì)分子從吸附劑表面脫附下來必須給它能量或推動(dòng)力,使其能夠從吸附劑表面“蒸發(fā)”到吸附劑孔道中,從而進(jìn)入氣相主體。

而在通常采用的脫附方法中,加熱脫附是給它提供能量,以增加分子的動(dòng)能;吹掃脫附和降壓(真空)脫附,都是為了降低吸附劑孔道中廢氣分子的分壓,也就是蒸氣壓,給廢氣造成一個(gè)濃度差,從而給廢氣分子由吸附劑表面向氣相轉(zhuǎn)移提供一個(gè)推動(dòng)力,這個(gè)推動(dòng)力越大,廢氣分子的脫附速度就越快。

所以,從這個(gè)理論出發(fā)就不難理解,吸附質(zhì)的脫附溫度是與其飽和蒸氣壓直接相關(guān)的,而與它的沸點(diǎn)無關(guān)。如洗過的衣服通常是在低于水的沸點(diǎn)下晾干的。

3、采用水蒸氣脫附后是否都需要干燥

不一定。

當(dāng)采用活性碳纖維作吸附材料時(shí),就不需要設(shè)置單獨(dú)的干燥工序;而采用顆?;钚蕴孔魑讲牧蠒r(shí)就必須進(jìn)行干燥。

在20世紀(jì)80?90年代PVC行業(yè)用顆?;钚蕴孔魑絼┗厥章纫蚁﹩误w時(shí),各治理廠家無一例外地都有熱空氣干燥這一步。

而到本世紀(jì)初,有的工程公司改成活性破纖維作吸附材料時(shí),就大膽地省去了熱空氣干燥的工序,而且將整個(gè)回收工藝由原來的5步筒化為3步。

為什么可以省去干燥工序?

經(jīng)過認(rèn)真分析認(rèn)為,經(jīng)過水蒸氣脫附的炭基吸附劑的微孔中存在著的水分有2類,一類為“自由水”,另一類是吸附在炭基吸附劑表面的“吸附水”。

由于顆?;钚蕴康目椎篱L且孔體積比活性碳纖維大得多,這樣,在脫附后的顆?;钚蕴恐芯蜁?huì) 存有大量的“自由水”;因此,當(dāng)顆?;钚蕴棵摳酵瓿芍?,必須通過干燥,把吸附劑中的 “自由水”蒸發(fā)掉,才能使再進(jìn)入的廢氣分子與吸附劑表面接觸,將“吸附水”分子置換下來。

而由于活性碳纖維的微孔體積比顆粒炭的微孔體積小得多,很難有“自由水”存在,因此可以省去熱空氣干燥,脫附完了可直接轉(zhuǎn)入吸附工序。這祥不僅可以使脫附水蒸氣的用量大大降低,而且使吸附回收工序大大縮短,降低了運(yùn)行成本。

(1)脫附溫度與飽和蒸氣壓的關(guān)系。

從脫附原理上講,吸附質(zhì)從吸附劑表面脫附的根本原因是,吸附質(zhì)分子必須克服吸附劑表面對它的引力,增大它脫離表面的推動(dòng)力。

也就是說,要想使吸附質(zhì)分子從吸附劑表面脫附下來,就必須給它能量或推動(dòng)力,使其能夠從吸附劑表面“蒸發(fā)”到吸附劑孔道中,從而進(jìn)入氣相主體。

而在通常采用的脫附方法中,加熱脫附是給其提供能量,以增加分子的動(dòng)能;吹掃脫附和降壓(真空)脫附,都是為了降低吸附劑孔道中廢氣分子的分壓,也就是蒸氣壓,給廢氣造成一個(gè)濃度差,從而給廢氣分子由吸附劑表面向氣相轉(zhuǎn)移提供一個(gè)推動(dòng)力,這個(gè)推動(dòng)力越大,廢氣分子的脫附速度就越快。

所以,從這個(gè)理論出發(fā)就不難理解,吸附質(zhì)的脫附溫度是與其飽和蒸氣壓直接相關(guān)的,而與它的沸點(diǎn)無關(guān)。

(2)一些飽和蒸氣壓較低的物質(zhì)在脫附時(shí),溫度過高反而會(huì)使脫附率下降。

從吸附的分類上說,可分為物理吸附和化學(xué)吸附。物理吸附,所形成的鍵能只在范德華力的范圍,即最大只有80kJ/kmol左右,而化學(xué)吸附的吸附鍵力可達(dá)到400kJ/kmol以上。

在物質(zhì)的吸附上,往往存在一種現(xiàn)象:當(dāng)溫度低時(shí)是物理吸附,如果溫度升高,則可能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)吸附。也就是說,當(dāng)脫附溫度過高時(shí),使本來存在的物理吸附狀態(tài)可能轉(zhuǎn)化成化學(xué)吸附狀態(tài),使得吸附鍵的鍵能大大增加,因而反而不易脫附下來。這就是為什么溫度過高,反而使物質(zhì)脫附率下降的原因。

當(dāng)然,要想徹底搞清這個(gè)問題,只能對兩種狀態(tài)的吸附鍵的鍵能進(jìn)行測定。但目前對吸附鍵鍵能的測定還較困難,雖然有人采用同步輻射光電離的方法,能夠測定一些物質(zhì)的化學(xué)鍵的鍵能,但采用此法能不能很好地測定吸附鍵的鍵能,目前還未見報(bào)道。

對脫附溫度確定方法的建議

(1)對于飽和蒸氣壓>10kPa的物質(zhì),原則上都可以采用100℃的水蒸汽進(jìn)行脫附;但從節(jié)約能源的角度講,建議對飽和蒸氣壓較大且沸點(diǎn)較低(如<70℃)的物質(zhì),如:丙酮:沸點(diǎn)56.1℃,飽和蒸氣壓2371.86kPa (100℃);四氫呋喃:沸點(diǎn)66℃,飽和蒸氣壓101.33kPa(66.0℃);二氯甲烷:沸點(diǎn)39.75℃,飽和蒸氣壓80.00kPa(35℃)等,建議采用較低溫度的氮?dú)膺M(jìn)行脫附,這樣不僅可降低脫附劑的溫度,同時(shí)在對脫附后混合氣體冷凝時(shí),也不用采用溫度很低的冷凝水進(jìn)行冷凝分離(如二氯甲烷需要采用7℃低溫水進(jìn)行冷凝分離),就可以節(jié)約能源。由于采用了氮?dú)饷摳?,也就省去了對冷凝水的處理問題。

(2)對于飽和蒸氣壓較低的物質(zhì)采用高溫脫附時(shí),也要采用適當(dāng)?shù)臏囟冗M(jìn)行脫附,這樣既能收到高的脫附效率,也能達(dá)到節(jié)能目的。當(dāng)然,對于各種物質(zhì)脫附溫度的選擇,目前還沒有現(xiàn)成的數(shù)據(jù)可以查詢,還需要進(jìn)行反復(fù)實(shí)驗(yàn)才能初步確定,然后再進(jìn)行經(jīng)濟(jì)可行性分析,才能最后確定所選擇的脫附溫度是否合適。

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