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              吸附法處理VOCs的脫附溫度、效果及分析

              來源:《中國環保產業》   作者:李守信 陳青松等    發布時間: 2018-08-10 09:29   瀏覽:

              吸附法處理VOCs的脫附溫度、效果及分析

                摘要:在采用炭基吸附劑處理VOCs時,一般認為:脫附溫度與所脫附物質的沸點有關,而且脫附溫度越高,脫附效率越高。通過對大量工程實踐的分析得出結論:脫附溫度與所脫附物質的沸點基本沒有關系,而是和它的飽和蒸氣壓密切相關;脫附溫度并不是越高越好,有些物質采用高溫脫附時,其脫附率反而下降。文章提出了脫附溫度的確定原則和方法,按照此法選擇脫附溫度,可大大減少能源浪費,降低運行成本。
               
                1前言
               
                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,都是將脫附介質加熱到一定溫度后,對吸附質進行脫附。采用水蒸汽脫附時,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問題;采用氮氣脫附時,加熱溫度可選擇,當溫度超過100℃時,也不必考慮設備的承壓問題。
               
                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,水蒸汽溫度一般都定在100%或略高;氮氣則根據脫附物質的性質確定。因此,在脫附溫度的選擇上常出現誤區1)對于一種揮發性有機物的脫附溫度,一般認為:要想把這些物質從吸附劑上脫附下來,其脫附溫度必須高于該物質的沸點;2)由于認識上的誤區,使得本不應該使用高溫脫附時,卻錯誤采用高溫進行脫附,不僅收不到理想的效果,而且會造成能源浪費。
               
                2吸附法治理VOCs工藝
               
                采用吸附法處理VOCs工藝流程如下圖所示。
               
                3治理VOCs采用的一般脫附方法
               
                3.1升溫脫附
                采用升高溫度的方法,使吸附質分子由固體吸附劑上逸出而脫附的方法,稱為升溫脫附。升溫脫附采用水蒸汽、熱的惰性氣體(如氮氣)、熱煙氣或采用電感加熱等方式。
               
                3.2降壓脫附
                降壓脫附又稱抽空脫附,是降低飽和吸附劑周圍的壓力,使其上的吸附質逸出的脫附方法。降壓后氣相中吸附質的分壓隨之降低,與之平衡的吸附量亦降低,吸附質即被脫附。
               
                3.3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更強的物質,將原吸附質置換下來的方法,稱為置換脫附。
               
                3.4吹掃脫附
                采用不被該吸附劑吸附的氣體(如惰性氣體)對床層進行吹掃,將吸附質脫附下來,稱為吹掃脫附。
                實際應用中,往往是幾種脫附方法結合,例如采用水蒸汽脫附,就同時具有加熱和吹掃的作用。
               
                4VOCs脫附溫度、脫附效果及分析
                4.1揮發性有機物的脫附情況
                在工程實踐中可觀察到部分揮發性有機物的脫附溫度及效率見下表。
                由上表可以看出:
                (1)脫附溫度與物質的沸點基本沒有關系。以三甲苯為例,其沸點是164.7℃,而采用100℃的水蒸汽,卻能夠將其很好地脫附下來(脫附率97.01%)。而對于比它的沸點低得多的丙烯酸(沸點141℃),采用100%的水蒸汽進行脫附時,絲毫不起作用。
                (2)縱觀上表中的各種物質,凡是飽和蒸氣壓在10.0kPa以上的物質,采用100%的水蒸汽都能夠很好地脫附下來。而飽和蒸氣壓較低的物質,如苯乙烯(25℃時為0.841)、鄰苯二甲酸二丁酯(148.2℃時為0.13)、丙烯酸丁酯(20℃時為0.53)等,雖然沸點比三甲苯低得多,但由于它們的飽和蒸氣壓很低,采用100%的水蒸汽仍然無法將它們脫附下來。
              由此可得出結論:物質的脫附溫度基本與沸點無關,而和它的飽和蒸氣壓有密切關系。
                (3)一些物質之所以難以脫附,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生了聚合反應”的錯誤認識。
                (4)對于難以脫附的物質,當采用熱氮氣脫附時,并不是溫度越高脫附的越徹底,過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115.8℃,20℃時的飽和蒸氣壓為2.13kPa)進行脫附時發現,當溫度升至100℃時,脫附率只有63.10%;為提高脫附率,將氮氣溫度提高到170℃,此時的脫附率達到76.50%;這時考慮再升溫已毫無意義,將溫度試著下降,結果發現,脫附率反而逐漸上升。當溫度降至110℃時,脫附率達到了峰值99.20%。因此得出,對于難以脫附的物質進行脫附時,并不是溫度越高,脫附越徹底,過高的脫附溫度反而使其脫附效率下降。如遇此類問題時,應通過實驗,慎重選擇適當的脫附溫度,以取得最佳的脫附效率。
               
                4.2分析
                (1)脫附溫度與飽和蒸氣壓的關系]。從脫附原理上講,吸附質從吸附劑表面脫附的根本原因是,吸附質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力。也就是說,要想使吸附質分子從吸附劑表面脫附下來,就必須給它能量或推動力,使其能夠從吸附劑表面“蒸發”到吸附劑孑L道中,從而進入氣相主體。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推動力,這個推動力越大,廢氣分子的脫附速度就越快。所以,從這個理論出發就不難理解,吸附質的脫附溫度是與其飽和蒸氣壓直接相關的,而與它的沸點無關。
                (2)一些飽和蒸氣壓較低的物質在脫附時,溫度過高反而會使脫附率下降。從吸附的分類上說,可分為物理吸附和化學吸附。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,而化學吸附的吸附鍵力可達400kJ/kmol以上。在物質的吸附上,往往存在一種現象:當溫度低時是物理吸附,如果溫度升高,則可能轉變為化學吸附[3]。也就是說,當脫附溫度過高時,使本來存在的物理吸附狀態可能轉化成化學吸附狀態,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,反而使物質脫附率下降的原因。
              當然,要想徹底搞清這個問題,只能對兩種狀態的吸附鍵的鍵能進行測定。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,能夠測定一些物質的化學鍵的鍵能,但采用此法能不能很好地測定吸附鍵的鍵能,目前還未見報道。
               
                5對脫附溫度確定方法的建議
                (1)對于飽和蒸氣壓>10kPa的物質,原則上都可以采用100℃的水蒸汽進行脫附;但從節約能源的角度講,建議對飽和蒸氣壓較大且沸點較低(如<70℃)的物質,如:丙酮:沸點56.1℃,飽和蒸氣壓2371.86kPa(100℃);四氫呋喃:沸點66℃,飽和蒸氣壓101.33kPa(66.0℃);二氯甲烷:沸點39.75℃,飽和蒸氣壓80.00kPa(35℃)等,建議采用較低溫度的氮氣進行脫附,這樣不僅可降低脫附劑的溫度,同時在對脫附后混合氣體冷凝時,也不用采用溫度很低的冷凝水進行冷凝分離(如二氯甲烷需要采用7℃低溫水進行冷凝分離),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題。
                (2)對于飽和蒸氣壓較低的物質采用高溫脫附時,也要采用適當的溫度進行脫附,這樣既能收到高的脫附
              效率,也能達到節能目的。當然,對于各種物質脫附溫度的選擇,目前還沒有現成的數據可以查詢,還需要進行反復實驗才能初步確定,然后再進行經濟可行性分析,才能最后確定所選擇的脫附溫度是否合適。
               
                6結語
               
                (1)揮發性有機物的脫附溫度與其沸點沒有關系,而與飽和蒸氣壓有著密切關系。因此,可根據物質的飽和蒸氣壓選擇適當的脫附劑,確定合適的脫附溫度。
                (2)從節能的角度考慮,對于沸點較低而飽和蒸氣壓較高的揮發性有機物,建議采用較低溫度(如<100oC)的氮氣進行脫附,這樣既可以在脫附時節約能源,而且在冷凝分離時也可達到節能目的,同時還省去了污水處理的費用。
                (3)對于飽和蒸氣壓特別低、沸點較高的揮發性有機物,采用高溫脫附時,并不是溫度越高脫附效果越好,過高的溫度反而會降低脫附率。
               
                原標題:吸附法處理VOCs脫附溫度的選擇
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