氮氣吹掃輔助的吸附樹脂變壓吸附回收有機廢氣的方法
2023-06-04 12:35:46
氮氣吹掃輔助的吸附樹脂變壓吸附回收有機廢氣的方法
【專利摘要】本發明公開了一種氮氣吹掃輔助的吸附樹脂變壓吸附回收有機廢氣的方法，包括以下步驟：(1)吸附：含揮發性有機物(VOCs)的廢氣經過氣體收集系統進入裝有大孔吸附樹脂的吸附器進行吸附；(2)脫附：吸附器內吸附樹脂經抽真空並輔助氮氣吹掃，被吸附的VOCs從吸附樹脂上被解吸下來得到脫附氣體；(3)回收：脫附氣體通過冷凝或吸收處理回收VOCs。本發明採用的吸附劑為大孔吸附樹脂，表面無催化性能，具有容易再生、機械強度高、體積吸附容量大等特點；採用真空輔助常溫氮氣吹掃的脫附工藝，脫附效率高，對易氧化、易水解、或水溶性大的VOCs氣體有很好的回收效果。
【專利說明】
【技術領域】
[0001] 本發明涉及吸附樹脂處理回收廢氣的方法，具體涉及使用一種高分子聚合物-吸 附樹脂回收利用化工、噴塗等行業在生產過程中產生的有機廢氣的方法。 氮氣吹掃輔助的吸附樹脂變壓吸附回收有機廢氣的方法
【背景技術】
[0002] 有機溶劑在工業生產上普遍使用，如酮、酯、醇、醚、滷代烷烴等在化工、農藥、製藥 等行業被廣泛作為有機溶劑使用，生產過程中由於揮發會直接排出有機廢氣。揮發性有機 化合物（VOCs)的直接排放不僅會造成資源的浪費，還會引起健康、環境和安全等一系列問 題。因此回收VOCs的工作，具有重大的社會意義。
[0003] 吸附法是工業有機廢氣治理的主流技術之一，廣泛採用的是水蒸氣脫附的變溫吸 附工藝，即VOCs吸附在常溫下進行，而脫附採用高溫的水蒸氣；水蒸氣脫附出的VOCs氣體 經冷凝變為液體，再經靜置分層或精餾處理可回收VOCs。水蒸氣作為脫附介質有相變熱高， 脫附完全、易冷凝等優點，但缺點也較明顯。水蒸氣脫附時可回收成分VOCs與水混合在一 起，分離時會產生含VOCs的有機廢水，需要進一步處理；當處理對象是滷代烴或易水解的 物質如酯類時，在高溫蒸汽作用下產生的酸性物質極易腐蝕設備，而且回收產品中雜質多； 對於與水互溶或者水中溶解度大的一些酮類、酯類、醚類和醇類物質，必須通過經一步的精 餾處理才可回收到純度較高的VOCs，延長了工藝流程，增加了處理費用。
[0004] 針對水蒸氣脫附的變溫吸附工藝所存在的技術問題，中國專利ZL200810114892. 2 和公開專利CN102614738A公開了分別採用活性炭纖維和活性炭為吸附劑、90-100°C或 110-160°C的熱氮氣作為脫附介質的處理工藝；中國專利ZL201110090661. 4則公開了使用 活性炭作為吸附劑，採用真空脫附、60_80°C的熱氮氣依次解吸的再生工藝。用熱氮氣作為 脫附介質不產生有機廢水，回收與水互溶或者水中溶解度大的一些酮類、酯類、醚類和醇類 等物質時，不需進一步的精餾處理等優點，但是活性炭和活性炭纖維表面含有的金屬雜原 子使其具有一定的催化性能，吸附化學性質較活潑的酮類、酯類等物質時易發生化學反應； 熱氮氣作為脫附介質反而會加重床層內局部過熱，易產生著火等安全事故；吸附滷代烴或 易水解的物質如酯類時，熱氮氣也會促進其脫滷或水解產生酸性物質，腐蝕設備；而且，活 性炭和活性炭纖維的孔主要分布在微孔區，微孔強吸附作用力致使脫附效率低、再生不完 全，在使用過程中吸附能力表現較明顯的下降趨勢。因而，在實際使用中，為提高再生效率， 一般需採用熱氮氣等對脫附進行強化。此外，活性炭的機械強度低、容易破碎、吸溼強等特 性也限制了其應用；活性炭纖維是一種改性的炭質吸附材料，但由於堆積密度低，因而具有 設備體積大、單位體積吸附容量低等缺點。
[0005] 吸附樹脂是一種人工合成的高分子化合物，表面無金屬雜原子和羧基、酚羥基、 羰基等基團，因而不具有催化性能，安全性高，而且機械強度好，這些性能都是活性炭和 活性炭纖維所不具備的（參考文獻：J.Air&Waste Manage. Assoc. 2001，51:1617-1627 ; EPA Technical Bu11etin,456/F-99-004, 1999. 5 ；Journal of Hazardous Materials, 2012, 203-204:251-256)。其中，超高交聯吸附樹脂對VOCs有很好的吸附能力， 但是它是一種微孔吸附材料，與活性炭/活性炭纖維相似，其孔主要分布在微孔區，由於微 孔壁吸附勢場的相互疊加，對有機物有強的吸附作用力，因而會導致採用真空或氮氣再生 時效率較低。
[0006] 專利權ZL2011102877175公開了用於中高濃度VOCs分離與回收的超高交聯樹脂 及其製備方法和應用，該樹脂其孔主要集中在微孔區和中孔區，其中微孔區和中孔區孔容 分別不低於總孔容的35%，大孔區孔容不大於總孔容的5%。該樹脂相比於超高交聯吸附 樹脂、活性炭和活性炭纖維等微孔吸附材料，對中高濃度的VOCs的吸附、脫附效率有明顯 的提高，而吸附低濃度VOCs時脫附效率提高不顯著，這主要是因為吸附低濃度VOCs時是吸 附劑的微孔在起作用，因而與一般的微孔吸附材料一樣具有真空再生效率低的缺點。
【發明內容】
[0007] 1、發明要解決的技術問題
[0008] 針對現有吸附材料由於微孔強吸附作用，導致變壓吸附工藝吸附低濃度VOCs時 再生效率較低的問題，本發明提供了一種氮氣吹掃輔助的吸附樹脂變壓吸附回收有機廢氣 的方法，採用大孔吸附樹脂作為吸附劑，並在真空脫附時輔助常溫氮氣吹掃（非真空脫附、 通氮氣依次解吸的再生工藝），可以顯著提高吸附低濃度VOCs時的脫附效率，使吸附劑的 工作吸附能力顯著增加。
[0009] 2、技術方案
[0010] 本發明原理：大孔吸附樹脂表面無催化性能，除了可吸附苯、甲苯等化學性質穩定 VOCs外，還可用於吸附酮類、酯類、滷代烴類化合物。大孔吸附樹脂的孔主要分布在中孔區 (2-50nm)，並有一定量的大孔（>50nm)存在，豐富中孔和大孔的存在，使其比微孔吸附劑具 有更高的再生效率；使用氮氣吹掃，氮氣可以置換吸附器內被解吸下來的VOCs，降低吸附 器內VOCs的濃度和分壓，進一步提高真空脫附的效率。
[0011] 本發明提供的吸附處理工藝採用兩個吸附器交替進行，其中一個吸附器進行VOCs 吸附的同時，另一個吸附器進行吸附劑床層的再生，吸附劑床層再生採用氮氣吹掃輔助的 真空脫附，具體為以下步驟：
[0012] (1)吸附：有機廢氣經過氣體收集系統進入吸附器進行吸附；
[0013] (2)脫附：吸附器內吸附劑經過抽真空-氮氣吹掃過程，被吸附的VOCs從吸附劑 上被解吸下來得到脫附氣體；
[0014] (3)回收：脫附氣體通過冷凝或吸收處理回收VOCs，其中的吸附劑為骨架為苯乙 烯-二乙烯基苯共聚或二乙烯基苯自聚的大孔吸附樹脂。
[0015] 所述步驟（1)的廢氣經過適當預處理，包括溫度、酸鹼度的調節或過濾處理等。
[0016] 所述步驟（1)的吸附器裝有溫度和壓力傳感器，當溫度和壓力超過一定限值，就 會發出報警，防止有堵塞或者溫度過高的情況產生危險。
[0017] 所述步驟（2)的脫附過程，為採用真空泵抽真空，並且每間隔一定時間輔助氮氣 吹掃。抽真空是指抽真空至絕對壓力3KPa以下，氮氣吹掃是指在抽真空的同時通入一定量 的氮氣，對吸附劑床層進行吹掃，以提高VOCs的解吸效率。
[0018] 所述步驟（3)的VOCs回收，是指脫附下來的高濃度VOCs氣體經過冷凝或吸收回 收 VOCs。
[0019] 所述的各步驟之間的切換可以通過PLC程序控制。
[0020] 3、有益效果
[0021] 本發明使用大孔吸附樹脂作為吸附劑，與活性炭和活性炭纖維相比，具有以下有 優點：（1)吸附樹脂表面不含有金屬雜原子，不具有催化性能，可以吸附化學性質較活潑的 酮類等物質，不發生化學反應，安全性高；可以吸附滷代烴或易水解的酯類等物質，不發生 脫滷或水解，對設備無腐蝕。（2)吸附VOCs通過範德華作用力，不形成氫鍵等特定作用力， 而且具有豐富的中孔和大孔，因而脫附效率高。（3)體積吸附容量大，佔地面積小。
[0022] 本發明使用大孔吸附樹脂作為吸附劑，與微孔為主的超高交聯吸附樹脂、活性炭 和活性炭纖維相比，具有易再生、脫附效率高的優點。
[0023] 本發明採用抽真空輔助常溫氮氣吹掃的解吸工藝，脫附效率顯著高於真空脫附； 與熱氮氣脫附工藝相比，整個脫附過程是在常溫下進行，避免高溫條件下VOCs可能氧化燃 燒帶來的安全隱患、酮類和醛類等物質易氧化而導致回收產品雜質多、酯類物質等水解造 成設備腐蝕等問題，而且脫附完成後無需對床層進行冷卻，可直接進行吸附操作，縮短了操 作時間，提高了設備利用效率。
[0024] 因此，本發明除了採用大孔吸附樹脂作為吸附劑外，而且脫附過程在常溫下進行， 避免了高溫氮氣脫附時可能產生的副反應，保證了回收產品的純度，可以實現VOCs的高效 回收，尤其適用於含有與水互溶或者水中溶解度大的一些酮類、酯類、醚類和醇類物質的有 機廢氣的回收。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0025] 圖1為本發明的工藝系統的結構示意圖：1-廢氣進氣端，2-引風風機，3-排空裝 置，4-預處理單元，5、6_吸附器，7-真空泵，8-預冷器，9-溶劑回收裝置，10-集液槽，11-氮 氣進入端，12-淨化氣排放口。
【具體實施方式】
[0026] 下面結合附圖詳細說明本發明。
[0027] 本發明採用兩吸附器的處理工藝，兩吸附器交替進行吸附和脫附操作，提高操作 效率。
[0028] 有機廢氣從廢氣進氣端1，在引風風機2的帶動下進入系統，首先通過預處理單元 4,在引風風機2與預處理單元4之間有排空裝置3,該單元會根據具體進氣的實際情況進行 處理，主要是去除氣流中的大部分懸浮物和顆粒雜質，並調整進氣的溫度及酸鹼度，以保護 吸附器中的吸附劑，延長吸附劑使用壽命。淨化後的氣體通過吸附床5進行吸附操作，當到 達吸附穿透時間時，PLC程序控制進氣閥門關閉，吸附器5開始轉入脫附階段，同時吸附器6 開始轉入吸附階段。吸附器5、6之間有淨化氣排放口 12。
[0029] 脫附時，解吸用的乾式真空泵對吸附器5進行抽真空操作，絕對壓力到3KPa以下， 根據變壓吸附原理，吸附在樹脂上的VOCs分子被解吸下來。在真空脫附的同時，每隔5分 鍾氮氣從氮氣進入端11充入，從吸附器5的上端進入，衝刷床層，使床層內VOCs得到置換， 濃度降低，提高真空解吸效率，從而更有效地恢復吸附層吸附能力。
[0030] 真空泵7出口的高濃度含有VOCs的氣體進入預冷凝器8,預冷凝器用冷水進行降 溫，減少後續處理能耗。溶劑回收裝置9將脫附氣中溶劑進行回收，可以是冷凝回收器也可 以是吸收回收器，使解吸氣中大部分VOCs冷凝成液態或被吸收，收集在集液槽10中，含少 量VOCs的廢氣經過管路，進入到正在進行吸附的吸附器6中。
[0031] 實施例1 :
[0032] 處理乙酸乙酯廢氣，主要的參數有：引風機風量80CMH，乙酸乙酯進氣濃度5g/m3， 進氣溫度常溫，壓力常壓。吸附器直徑DN = 180mm，吸附劑為AMBERLITE? XAD4樹脂，其裝 填高度H = 300mm，吸附時間90min，真空脫附真空泵抽氣時間20min，抽真空同時每隔5min 衝入氮氣進行吹掃，持續lmin，冷凝器使用5°C的冷凍鹽水。處理後尾氣中乙酸乙酯含量約 150mg/m3, 24h回收乙酸乙酯9. 3Kg，回收率96. 9%。
[0033] 實施例2 :
[0034] 將實施例1中的脫附條件改為單一真空泵抽真空，無氮氣吹掃，其他條件不變。處 理後尾氣中乙酸乙酯含量約730mg/m 3, 24h回收乙酸乙酯8. 2Kg，回收率85. 4%。
[0035] 實施例3 :
[0036] 將實施例1中的乙酸乙酯氣體改為5g/m3的甲苯氣體，其他條件不變。處理後尾 氣中甲苯含量約170mg/m 3,24h回收乙酸乙酯9. 48Kg，回收率98. 8%。
[0037] 實施例4 :
[0038] 將實施例1中的AMBERLITE? XAD4樹脂改為H103樹脂，其他條件不變。處理後尾 氣中乙酸乙酯含量約100mg/m3,24h回收甲苯9. 24Kg，回收率96. 3%。
[0039] 實施例5 :
[0040] 將實施例1中的AMBERLITE? XAD4樹脂改為超高交聯吸附樹脂NDA150,其他條件 不變。處理後尾氣中乙酸乙酯含量約1.48/111 3,2411回收乙酸乙酯6.84敁，回收率71.3%。
[0041] 實施例6:
[0042] 將實施例1中的AMBERLITE? XAD4樹脂改為活性炭FD300,其他條件不變。處理 後尾氣中乙酸乙酯含量約1. 68g/m3, 24h回收乙酸乙酯6. 37Kg，回收率66. 4%。
【權利要求】
1. 一種氮氣吹掃輔助的吸附樹脂變壓吸附回收有機廢氣的方法，其特徵在於採用兩個 裝有吸附樹脂的吸附器交替進行吸附，其中一個吸附器進行吸附的同時，另一個吸附器進 行吸附劑床層的再生，吸附劑床層再生採用氮氣吹掃輔助的真空脫附，具體步驟為： (1)吸附：含揮發性有機物的廢氣經過氣體收集系統進入吸附器進行吸附； ⑵脫附：吸附器內吸附劑經過抽真空-氮氣吹掃過程，被吸附的VOCs從吸附劑上被 解吸下來得到脫附氣體； (3)回收：脫附氣體通過冷凝或吸收處理回收VOCs，其中的吸附劑為大孔吸附樹脂。
2. 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述的步驟（2)脫附過程是在常溫下進行 的。
3. 根據權利要求2所述的方法，其特徵在於，所述步驟（2)的脫附過程，採用真空泵抽 真空，並且間隔時間輔助氮氣吹掃的脫附方式；抽真空是指抽真空至絕對壓力3KPa以下， 氮氣吹掃是指在抽真空的同時通入氮氣，對吸附劑床層進行吹掃，以提高VOCs的解吸效 率。
4. 根據權利要求1-3中任一項所述的方法，其特徵在於所述的吸附劑為苯乙烯-二乙 烯基苯共聚或二乙烯基苯自聚的大孔吸附樹脂。
5. 根據權利要求4中所述的方法，其特徵在於所述的吸附劑為南開大學樹脂廠的H103 或H107大孔吸附樹脂。
【文檔編號】B01D53/047GK104107621SQ201410385255
【公開日】2014年10月22日 申請日期:2014年8月6日 優先權日:2014年8月6日
【發明者】龍超, 何宏磊, 賈李娟, 吳柳彥, 李愛民 申請人:南京大學