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朝陽(yáng)在采用炭基吸附劑處理VOCs工藝中,如何選擇脫附溫度

作者: 發(fā)布時(shí)間:2023-10-17 09:49:40點(diǎn)擊:2367

信息摘要:

老生常談的問(wèn)題,在采用炭基吸附劑處理VOCs工藝中,不論采用低壓水蒸汽脫附還是氮氣脫附,都是將脫附介質(zhì)加熱到一定溫度后,對吸附質(zhì)進(jìn)行脫附。采用水蒸汽脫附時(shí),一般都是將水蒸汽加熱到100℃,主要是為了利用水的潛熱,另外也不用考慮設備的承壓?jiǎn)?wèn)題;采用氮氣脫附時(shí),加熱溫度可選擇,當溫度超過(guò)100℃時(shí),也不必考慮設備的承壓?jiǎn)?wèn)題。目前在脫附溫度的選擇上,一般都是采用粗獷的方法:即不論脫附什么物質(zhì),水蒸汽溫度一般都定在100℃或略高;氮氣則根據脫附物質(zhì)的性質(zhì)確定。

老生常談的問(wèn)題,在采用炭基吸附劑處理VOCs工藝中,不論采用低壓水蒸汽脫附還是氮氣脫附,都是將脫附介質(zhì)加熱到一定溫度后,對吸附質(zhì)進(jìn)行脫附。采用水蒸汽脫附時(shí),一般都是將水蒸汽加熱到100℃,主要是為了利用水的潛熱,另外也不用考慮設備的承壓?jiǎn)?wèn)題;采用氮氣脫附時(shí),加熱溫度可選擇,當溫度超過(guò)100℃時(shí),也不必考慮設備的承壓?jiǎn)?wèn)題。目前在脫附溫度的選擇上,一般都是采用粗獷的方法:即不論脫附什么物質(zhì),水蒸汽溫度一般都定在100℃或略高;氮氣則根據脫附物質(zhì)的性質(zhì)確定。

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在脫附溫度的選擇上常出現誤區:


1)對于一種揮發(fā)性有機物的脫附溫度,一般認為:要想把這些物質(zhì)從吸附劑上脫附下來(lái),其脫附溫度必須高于該物質(zhì)的沸點(diǎn);


2)由于認識上的誤區,使得本不應該使用高溫脫附時(shí),卻錯誤采用高溫進(jìn)行脫附,不僅收不到理想的效果,而且會(huì )造成能源浪費。


采用吸附法處理VOCs工藝流程如下圖所示:


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治理VOCs采用的一般脫附方法:


1.升溫脫附


采用升高溫度的方法,使吸附質(zhì)分子由固體吸附劑上逸出而脫附的方法,稱(chēng)為升溫脫附。升溫脫附采用水蒸汽、熱惰性氣體(如氮氣)、熱煙氣或采用電感加熱等方式。


2. 降壓脫附


降壓脫附又稱(chēng)抽空脫附,是降低飽和吸附劑周?chē)膲毫?,使其上的吸附質(zhì)逸出的脫附方法。降壓后氣相中吸附質(zhì)的分壓隨之降低,與之平衡的吸附量亦降低,吸附質(zhì)即被脫附。


3. 置換脫附


采用在脫附條件下與吸附劑親合能力比原吸附質(zhì)更強的物質(zhì),將原吸附質(zhì)置換下來(lái)的方法,稱(chēng)為置換脫附。


4. 吹掃脫附


采用不被該吸附劑吸附的氣體(如惰性氣體)對床層進(jìn)行吹掃,將吸附質(zhì)脫附下來(lái),稱(chēng)為吹掃脫附。


實(shí)際應用中,往往是幾種脫附方法結合,例如采用水蒸汽脫附,就同時(shí)具有加熱和吹掃的作用。

VOCs脫附情況


在工程實(shí)踐中可觀(guān)察到部分揮發(fā)性有機物的脫附溫度及效率見(jiàn)下表。

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(1)脫附溫度與物質(zhì)的沸點(diǎn)基本沒(méi)有關(guān)系。以三甲苯為例,其沸點(diǎn)是164.7℃,而采用100℃的水蒸汽,卻能夠將其很好地脫附下來(lái)(脫附率97.01%)。而對于比它的沸點(diǎn)低得多的丙烯酸(沸點(diǎn)141℃),采用100℃的水蒸汽進(jìn)行脫附時(shí),絲毫不起作用。


(2)縱觀(guān)上表中的各種物質(zhì),凡是飽和蒸氣壓在10.0kPa以上的物質(zhì),采用100℃的水蒸汽都能夠很好地脫附下來(lái)。而飽和蒸氣壓較低的物質(zhì),如苯乙烯(25℃時(shí)為0.841)、鄰苯二甲酸二丁酯(148.2℃時(shí)為0.13)、丙烯酸丁酯(20℃時(shí)為0.53)等,雖然沸點(diǎn)比三甲苯低得多,但由于它們的飽和蒸氣壓很低,采用100℃的水蒸汽仍然無(wú)法將它們脫附下來(lái)。


由此可得出結論:物質(zhì)的脫附溫度基本與沸點(diǎn)無(wú)關(guān),而和它的飽和蒸氣壓有密切關(guān)系。


(3)一些物質(zhì)之所以難以脫附,皆是因為它們的飽和蒸氣壓很低造成的。由此,也可糾正對苯乙烯難以脫附的原因歸結到“苯乙烯在吸附劑表面發(fā)生了聚合反應”的錯誤認識。 


(4)對于難以脫附的物質(zhì),當采用熱氮氣脫附時(shí),并不是溫度越高脫附的越徹底,過(guò)高的脫附溫度反而使其脫附效率下降。如表中所示,在采用熱氮氣對甲基異丁酮(沸點(diǎn)115.8℃,20℃時(shí)的飽和蒸氣壓為2.13kPa)進(jìn)行脫附時(shí)發(fā)現,當溫度升至100℃時(shí),脫附率只有63.10%;為提高脫附率,將氮氣溫度提高到170℃,此時(shí)的脫附率達到76.50%;這時(shí)考慮再升溫已毫無(wú)意義,將溫度試著(zhù)下降,結果發(fā)現,脫附率反而逐漸上升。當溫度降至110℃時(shí),脫附率達到了峰值99.20%。


因此得出,對于難以脫附的物質(zhì)進(jìn)行脫附時(shí),并不是溫度越高,脫附越徹底,過(guò)高的脫附溫度反而使其脫附效率下降。如遇此類(lèi)問(wèn)題時(shí),應通過(guò)實(shí)驗,慎重選擇適當的脫附溫度,以取得更佳的脫附效率。


VOCs脫附效果分析


(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(shuō),要想使吸附質(zhì)分子從吸附劑表面脫附下來(lái),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(wú)關(guān)。


(2)一些飽和蒸氣壓較低的物質(zhì)在脫附時(shí),溫度過(guò)高反而會(huì )使脫附率下降。從吸附的分類(lèi)上說(shuō),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,即更大只有80kJ/kmol左右,而化學(xué)吸附的吸附鍵力可達到400kJ/kmol以上。


在物質(zhì)的吸附上,往往存在一種現象:當溫度低時(shí)是物理吸附,如果溫度升高,則可能轉變?yōu)榛瘜W(xué)吸附。也就是說(shuō),當脫附溫度過(guò)高時(shí),使本來(lái)存在的物理吸附狀態(tài)可能轉化成化學(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(lái)。這就是為什么溫度過(guò)高,反而使物質(zhì)脫附率下降的原因。


當然,要想徹底搞清這個(gè)問(wèn)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(jiàn)報道。



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氣進(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),就可以節約能源。由于采用了氮氣脫附,也就省去了對冷凝水的處理問(wèn)題。


(2)對于飽和蒸氣壓較低的物質(zhì)采用高溫脫附時(shí),也要采用適當的溫度進(jìn)行脫附,這樣既能收到高的脫附效率,也能達到節能目的。


當然,對于各種物質(zhì)脫附溫度的選擇,目前還沒(méi)有現成的數據可以查詢(xún),還需要進(jìn)行反復實(shí)驗才能初步確定,然后再進(jìn)行經(jīng)濟可行性分析,才能最后確定所選擇的脫附溫度是否合適。


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