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吸附法处理VOCs的脱附温度、效果及分析

作者:李守信 陈青松等来源:《中国环保产业》 浏览次数: 日期:2018年8月10日

  在采用炭基吸附剂处理VOCs时,一般认为:脱附温度与所脱附物质的沸点有关,而且脱附温度越高,脱附效率越高。通过对大量工程实践的分析得出结论:脱附温度与所脱附物质的沸点基本没有关系,而是和它的饱和蒸气压密切相关;脱附温度并不是越高越好,有些物质采用高温脱附时,其脱附率反而下降。文章提出了脱附温度的确定原则和方法,按照此法选择脱附温度,可大大减少能源浪费,降低运行成本。

1前言

在采用炭基吸附剂处理VOCs工艺中,不论采用低压水蒸汽脱附还是氮气脱附,都是将脱附介质加热到一定温度后,对吸附质进行脱附。采用水蒸汽脱附时,一般都是将水蒸汽加热到100℃,主要是为了利用水的潜热,另外也不用考虑设备的承压问题;采用氮气脱附时,加热温度可选择,当温度超过100℃时,也不必考虑设备的承压问题。

目前在脱附温度的选择上,一般都是采用粗犷的方法:即不论脱附什么物质,水蒸汽温度一般都定在100%或略高;氮气则根据脱附物质的性质确定。因此,在脱附温度的选择上常出现误区1)对于一种挥发性有机物的脱附温度,一般认为:要想把这些物质从吸附剂上脱附下来,其脱附温度必须高于该物质的沸点;2)由于认识上的误区,使得本不应该使用高温脱附时,却错误采用高温进行脱附,不仅收不到理想的效果,而且会造成能源浪费。

2吸附法治理VOCs工艺

采用吸附法处理VOCs工艺流程如下图所示。

3治理VOCs采用的一般脱附方法

3.1升温脱附

采用升高温度的方法,使吸附质分子由固体吸附剂上逸出而脱附的方法,称为升温脱附。升温脱附采用水蒸汽、热的惰性气体(如氮气)、热烟气或采用电感加热等方式。

3.2降压脱附

降压脱附又称抽空脱附,是降低饱和吸附剂周围的压力,使其上的吸附质逸出的脱附方法。降压后气相中吸附质的分压随之降低,与之平衡的吸附量亦降低,吸附质即被脱附。

3.3置换脱附

采用在脱附条件下与吸附剂亲合能力比原吸附质更强的物质,将原吸附质置换下来的方法,称为置换脱附。

3.4吹扫脱附

采用不被该吸附剂吸附的气体(如惰性气体)对床层进行吹扫,将吸附质脱附下来,称为吹扫脱附。

实际应用中,往往是几种脱附方法结合,例如采用水蒸汽脱附,就同时具有加热和吹扫的作用。

4VOCs脱附温度、脱附效果及分析

4.1挥发性有机物的脱附情况

在工程实践中可观察到部分挥发性有机物的脱附温度及效率见下表。

由上表可以看出:

(1)脱附温度与物质的沸点基本没有关系。以三甲苯为例,其沸点是164.7℃,而采用100℃的水蒸汽,却能够将其很好地脱附下来(脱附率97.01%)。而对于比它的沸点低得多的丙烯酸(沸点141℃),采用100%的水蒸汽进行脱附时,丝毫不起作用。

(2)纵观上表中的各种物质,凡是饱和蒸气压在10.0kPa以上的物质,采用100%的水蒸汽都能够很好地脱附下来。而饱和蒸气压较低的物质,如苯乙烯(25℃时为0.841)、邻苯二甲酸二丁酯(148.2℃时为0.13)、丙烯酸丁酯(20℃时为0.53)等,虽然沸点比三甲苯低得多,但由于它们的饱和蒸气压很低,采用100%的水蒸汽仍然无法将它们脱附下来。

由此可得出结论:物质的脱附温度基本与沸点无关,而和它的饱和蒸气压有密切关系。

(3)一些物质之所以难以脱附,皆是因为它们的饱和蒸气压很低造成的。由此,也可纠正对苯乙烯难以脱附的原因归结到“苯乙烯在吸附剂表面发生了聚合反应”的错误认识。

(4)对于难以脱附的物质,当采用热氮气脱附时,并不是温度越高脱附的越彻底,过高的脱附温度反而使其脱附效率下降。如表中所示,在采用热氮气对甲基异丁酮(沸点115.8℃,20℃时的饱和蒸气压为2.13kPa)进行脱附时发现,当温度升至100℃时,脱附率只有63.10%;为提高脱附率,将氮气温度提高到170℃,此时的脱附率达到76.50%;这时考虑再升温已毫无意义,将温度试着下降,结果发现,脱附率反而逐渐上升。当温度降至110℃时,脱附率达到了峰值99.20%。因此得出,对于难以脱附的物质进行脱附时,并不是温度越高,脱附越彻底,过高的脱附温度反而使其脱附效率下降。如遇此类问题时,应通过实验,慎重选择适当的脱附温度,以取得最佳的脱附效率。

4.2分析

(1)脱附温度与饱和蒸气压的关系]。从脱附原理上讲,吸附质从吸附剂表面脱附的根本原因是,吸附质分子必须克服吸附剂表面对它的引力,增大它脱离表面的推动力。也就是说,要想使吸附质分子从吸附剂表面脱附下来,就必须给它能量或推动力,使其能够从吸附剂表面“蒸发”到吸附剂孑L道中,从而进入气相主体。而在通常采用的脱附方法中,加热脱附是给其提供能量,以增加分子的动能;吹扫脱附和降压(真空)脱附,都是为了降低吸附剂孔道中废气分子的分压,也就是蒸气压,给废气造成一个浓度差,从而给废气分子由吸附剂表面向气相转移提供一个推动力,这个推动力越大,废气分子的脱附速度就越快。所以,从这个理论出发就不难理解,吸附质的脱附温度是与其饱和蒸气压直接相关的,而与它的沸点无关。

(2)一些饱和蒸气压较低的物质在脱附时,温度过高反而会使脱附率下降。从吸附的分类上说,可分为物理吸附和化学吸附。物理吸附,所形成的键能只在范德华力的范围,即最大只有80kJ/kmol左右,而化学吸附的吸附键力可达400kJ/kmol以上。在物质的吸附上,往往存在一种现象:当温度低时是物理吸附,如果温度升高,则可能转变为化学吸附[3]。也就是说,当脱附温度过高时,使本来存在的物理吸附状态可能转化成化学吸附状态,使得吸附键的键能大大增加,因而反而不易脱附下来。这就是为什么温度过高,反而使物质脱附率下降的原因。

当然,要想彻底搞清这个问题,只能对两种状态的吸附键的键能进行测定。但目前对吸附键键能的测定还较困难,虽然有人采用同步辐射光电离的方法,能够测定一些物质的化学键的键能,但采用此法能不能很好地测定吸附键的键能,目前还未见报道。

5对脱附温度确定方法的建议

(1)对于饱和蒸气压>10kPa的物质,原则上都可以采用100℃的水蒸汽进行脱附;但从节约能源的角度讲,建议对饱和蒸气压较大且沸点较低(如<70℃)的物质,如:丙酮:沸点56.1℃,饱和蒸气压2371.86kPa(100℃);四氢呋喃:沸点66℃,饱和蒸气压101.33kPa(66.0℃);二氯甲烷:沸点39.75℃,饱和蒸气压80.00kPa(35℃)等,建议采用较低温度的氮气进行脱附,这样不仅可降低脱附剂的温度,同时在对脱附后混合气体冷凝时,也不用采用温度很低的冷凝水进行冷凝分离(如二氯甲烷需要采用7℃低温水进行冷凝分离),就可以节约能源。由于采用了氮气脱附,也就省去了对冷凝水的处理问题。

(2)对于饱和蒸气压较低的物质采用高温脱附时,也要采用适当的温度进行脱附,这样既能收到高的脱附

效率,也能达到节能目的。当然,对于各种物质脱附温度的选择,目前还没有现成的数据可以查询,还需要进行反复实验才能初步确定,然后再进行经济可行性分析,才能最后确定所选择的脱附温度是否合适。

6结语

(1)挥发性有机物的脱附温度与其沸点没有关系,而与饱和蒸气压有着密切关系。因此,可根据物质的饱和蒸气压选择适当的脱附剂,确定合适的脱附温度。

(2)从节能的角度考虑,对于沸点较低而饱和蒸气压较高的挥发性有机物,建议采用较低温度(如<100oC)的氮气进行脱附,这样既可以在脱附时节约能源,而且在冷凝分离时也可达到节能目的,同时还省去了污水处理的费用。

(3)对于饱和蒸气压特别低、沸点较高的挥发性有机物

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