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丙酮回收之吸附法

发布于:2017-06-28 13:52来源:www.rongjihuishouji.com 作者:admin 点击:
吸附法是一种从气体中去除污染物的常用单元操作。它通过借助多孔固体物质的吸附性来使污染物在固体表面富集,从而除去一种或几种污染物。基于吸附法能够从气体中分离出浓度较低的有机气体,因此它被广泛应用于气体污染物的治理方面。吸附质是指可以被吸附到固体表面的物质;吸附剂是指可以吸附吸附质的固体物质;吸附剂把吸附质吸附到固体表面的过程称为吸附过程;而吸附质从吸附剂的表面脱离到气相的过程称脱附过程。因此,从本质上讲,气体吸附过程就是吸附质从气相转移到液相的质量传递过程;脱附过程正是相反的过程,吸附质分子从固相转移到气相的质量传递过程。由于气体吸附过程能够从气体中分离出浓度很低的污染物,并将这些污染物回收利用,因而吸附法在气态污染物治理方面的应用愈来愈广泛。
吸附法是回收工业废气中的丙酮经常采用的一种方法,其工艺成熟、能耗较低、去除率高、挣化完全,有较高的经济效益。常见的吸附剂有硅胶、活性炭和离子交换树脂等。活性炭具有细孔结构密集、内表面积较大、吸收性能好、不易破碎、化学性质非常稳定等良好性能。按照结构不同,可将活性炭分为纤维状和粒状。纤维状活性炭的孔径分布比较均匀,多是2.3 nm左右的微孔,其特点是孔径小,小孔指向向外,从而使气体的扩散距离较短,吸附速度快;粒状活性炭除小孔外,还有中孔((10-100nm)和大孔(1.5--5 um),气孔分布均匀,废气扩散方向由外向内,扩散距离长,吸附速度慢,因此最适用于有机废气净化。丙酮回收主要采用孔径1 nm左右、微孔容积在0.40--0.50 cm3/g的活性炭。美国EPA指出,活性炭吸附是去除丙酮气“可采用的最好技术”。活性炭吸附法是将活性炭吸附、热空气脱附、精馏三种工艺组合起来的一种有机废气回收方法。目前在国内伴有丙酮和空气的混合气的化工生产工艺中,常用的回收方法是用活性炭吸附丙酮空气混合气中的丙酮,达到饱和后再用蒸气进行脱附得到稀丙酮溶液,然后再进行精馏提纯,得到高纯度的可重新用于生产的丙酮,实现丙酮和空气的混合气中丙酮气体回收利用,其实质是一个物理吸附浓缩过程。活性炭吸附分离丙酮空气混合气的流程如下图所示

活性炭吸附分离丙酮空气混合气的流程图

在整个活性炭吸附回收丙酮气体的过程中,工艺的控制指标就是尾气中丙酮气体的含量,因此活性炭对丙酮的吸附效果是影响控制指标的重要因素。
根据吸附剂再生方法不同,活性炭吸附工艺主要包括变压吸附工艺(PSA )、变温吸附工艺(TSA)和变温变压吸附工艺(TPSA)三种。它们的连续运行一般是借助多个吸附器的阀门间切换来实现的。当某些塔在吸附环节时,其它的吸附器则处于再生等环节;当吸附饱和后的吸附剂需要再生时,其它己再生好的吸附器开始进入吸附环节,如此实现循环操作。
(1)变压吸附工艺
变压吸附工艺为恒温或无热源吸附分离过程.它主要按照恒定温度下混合气体中不同组分在吸附剂上吸附容量或吸附速率的不同和不同压力下组分在吸附剂上的吸附容量的不同而实现的。变压吸附工艺通过改变压力使吸附剂在吸附床上进行净化和分离,在加压条件下完成吸附过程,减压或真空条件下完成脱附过程,放出被吸附组分,使吸附剂再生,实现循环操作。德国Bayer公司采用的D47/4活性炭变压吸附工艺分离丙酮和空气的混合气,回收率达到了95%以上。
王晓刚等对脱附过程床层中的丙酮浓度分布进行了实验和模拟研究,得到了活性炭——丙酮体系的总传质系数,并考察了常压脱附过程中床层浓度分布的动态行为以及各种因素对它的影响,同时发现真空条件对丙酮的脱附有很好的效果。
(2)变温吸附工艺
    变温吸附工艺是发展历史比较长、当前被采用较多的一种再生方法。它主要通过改变温度使吸附剂在吸附床上进行净化和分离。在被吸附物质的分压一定的情况下,在低温条件下完成吸附,在高温条件下完成脱附,吸附剂实现再生,冷却后可再次在较低温度下吸附强吸附组分。
变温吸附工艺主要用于原料中杂质组分含量低,而对产品的回收率要求较高的场合。该工艺一般分为三个步骤,分别是吸附、加热再生和冷吹。吸附剂在低温下吸附,吸附后再升高温度,使被吸附组分解吸出来,实现吸附分离的循环进行和混合组分的分离精制。吸附剂、床层结构和气流流向是影响变温吸附工艺的主要因素。变温吸附工艺的工艺简单,操作简单,并且投资小,维护量小。但其缺点也比较多,如:变温吸附工艺的能耗较高,吸附剂中的有效吸附量小,吸附剂的再生需要加热介质,吸附剂寿命相对较短以及一般需要与其他工艺配套使用才能消除二次污染或达到回收利用的目的等。在变温吸附分离过程中,由于挥发性有机物通过加热气体冲洗得以再生,因此对吸附剂的要求很高。吸附剂不仅要有较大的孔隙率和较大的比表面积,更在吸附剂的机械强度、热与化学稳定性和使用寿命长等方便比变压吸附工艺的吸附剂有更高的要求。Wael Yazbek等通过建立温度梯度模型研究流化床质量、能量传递机制,证明了丙酮和空气的混合气的吸附——解吸过程在活性炭流化床上实现的可行性。
(3)变温变压吸附工艺
变温变压吸附工艺是基于变压吸附技术,在变压脱吸之后,再进行升温脱吸,从而使得脱吸过程进行的更加彻底,使吸附剂的吸附时间延长。它的缺点是仍然需要使用冷却水,脱吸时需要消耗蒸气。
虽然活性炭吸附法是回收废气中丙酮的传统的有效方法,净化效率高,工艺成熟,运行成本较低,但该工艺的缺陷也不容小视:
(1)设备过于庞大,工艺流程复杂,存在吸附质系统的爆炸和自燃的潜在安全隐患,当其他杂质存在时吸附剂容易中毒;
(2)活性炭吸附法的工艺操作是间歇性的,这就造成其稳定性差,尾气中的丙酮含量有时会超出控制指标;
(3)解析过程中的高温容易造成回收系统局部过热,从而造成活性炭燃烧,给安全生产带来隐患;
(4)精馏解吸过程中需要大量的高温气体,造成相应的热公用工程用量大,能耗大,成本较高。
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