活性炭蒸汽脱附冷凝回收设备

时间:2019-08-16 11:12   tags: 蒸汽/氮气脱附设备  


        活性炭吸附脱附+冷凝装置利用活性炭在不同温度下的吸附和脱附能力,对有机物进行吸附和脱附操作。设备主要由活性炭吸脱附罐体、气动阀门、风机、烟囱、干式过滤器、干燥风机、冷凝器、油水分离器等组成。系统使用能耗低,利用厂家蒸汽或小型蒸汽发生器即可满足要求,且设备整体运行时间短、脱附效率可达80%-90%,脱附气体进入冷凝系统,通过油水分离器分离回用,节能环保,达到资源回收利用效果。
 活性炭吸附装置
   吸附效率高,能力强;能够同时处理多种混合有机废气;净化效率≥95%; 维护管理简单,运转成本低廉;采用自动化控制运转设计,操作简易、安全;全密闭型,室内外皆可使用                             冷凝器
   冷凝器为制冷系统的机件,属于换热器的一种,能把气体或蒸气转变成液体,将管子中的热量,以很快的方式,传到管子附近的空气中,把气体或蒸气的热量带走                                         
   油水分离器
      利用油和水的密度不同,实现油水的重力分离。投资省、运行费用低,除油效率高、效果好,无二次污染。

活性炭吸附废气中的有毒有害物质,在通过蒸汽脱附实现活性碳的再生利用,此工艺已经非常成熟,在各个行业都有大面积的推广应用,活性碳有多种形状,粉末状、长条状、颗粒状也有块状的等等。

活性碳的吸附能力很强,因为活性碳的表面有大量的空隙,孔径有大中小,小孔径可达到2纳米,当voc物质经过活性碳表面空隙时,通过物理吸附(即活性碳和有毒有害物质间的范德华作用力)当有化学键作用参与时,就变成了化学吸附,化学键的作用力要远大于范德华力,所以化学吸附要远高于物理吸附,这也就很好解释了某些物质活性碳的吸附效率高、吸附性好,因此活性碳有非常好的吸附能力,可以吸附和过滤大部分的废气中的有毒有害物质。

活性碳吸附效率及使用寿命是由材质和使用频率决定的,市面上活性炭的材质一般有椰壳、木炭、媒质及复合型,其中acf活性炭纤维是一种新型材料,相比于传统的活性炭它有更多的表面及微孔,它的吸附效率是普通的活性炭的上百倍,由于价格较高,常用在军工航天等高科行业。

蒸汽脱附

活性炭吸附有固定式床层吸附和流动式床层吸附,由于固定式床层活性炭与废气中的voc接触时间较长,所以比流动式有更好的吸附效率,活性炭吸附罐为了更好的适应自动化生产一般采用流动式床层,而为了有更好的吸附效果,采用增加活性炭罐的方法,两台活性炭罐串联,两吸一脱,也有根据工艺情况两台吸附罐并联一吸一拖,所以综上所述活性炭的吸附效率与其物理化学性质、活性炭生产材料、吸附脱附工艺有关。

活性炭的脱附和压力、温度、空速有关,理论上可以采取变温蒸汽脱附、变压脱附、高流速脱附,实际以变温脱附、变压脱附较多,其中又以变温蒸汽脱附为主,变温蒸汽脱附由之前的蒸汽直接通入吸附罐中改为热氮循环脱附,相比于蒸汽直接脱附,热氮脱附是一种更好的工艺,它不但蒸汽使用量少,且无废水产生,最关键的是不给吸附罐系统中带入水分,没有改变它的工作环境,使其更加安全,所热氮循环脱附已基本取代蒸汽直接脱附,而变压脱附使用推广也较多,最多的应用案例就是psa装置,变压脱附利用压力越小物质在活性炭作用力越小的性质来减压或抽真空,从而脱附出大量的高浓度voc废气,压力越小,脱附的越干净,此过程中没有杂质产生,也没有改变吸附罐额原有工作环境,所以安全高效,在抽真空或减压时要配合真空泵做功,有能耗,高流速脱附实际应用案例很少,不做详细描述。

1、 活性炭的吸附

1.1 活性炭吸脱附过程的影响因素

活性炭的吸脱附容量的影响因素主要有:VOCs各组分的性质(如相对分子质量、偶极距、分子大小等)、混合气体的组成成分(如共存有机物、水、氧气等)、操作条件(如吸附温度、床层尺寸等)。

活性炭对废气吸附的特点:

(1) 对于芳香族化合物的吸附优于对非芳香族化合物的吸附;对带有支键的烃类物理的吸附优于对直链烃类物质的吸附;对有机物中含有无机基团物质的吸附总是低于不含无机基团物质的吸附。

(2) 对分子量大和沸点高的化合的的吸附总是高于分子量小和沸点低的化合物的吸附。活性炭的孔径要和吸附质的分子或离子的几何大小相匹配才能有效利用。

(3) 一般认为,当活性炭表明形成碱性氧化物时,活性炭更易于吸附酸性化合物;当表面形成酸性化合物时,则有利于碱性化合物的吸附。

(4) 混合气体组分越多,活性炭吸附容量降低越严重。

(5) 吸附质浓度越高,吸附量也越高;吸附剂内表面积越大,吸附量越高。

(6) 水分子层的覆盖导致活性炭对极性较强的有机溶剂的吸附力减小,并随着水蒸气含量的增高,影响越显著。气体湿度大于50%时,对吸附的抑制作用显著增强,特别是对低浓度的 VOCs 影响非常显著。通常湿度在40%以上时吸附量开始下降,80%以上时吸附量下降50%。

(7) 温度的影响。吸附是放热反应。温度降低有利于吸附,温度升高有利于脱附。吸附热,即活性炭吸附单位重量的吸附质溶质放出的总热量,以KJ/mol为单位。吸附热越大,温度对吸附的影响越大。另一方面,温度对物质的溶解度有影响,因此对吸附也有影响。

(8) 若以粒状活性炭为吸附剂,温度控制在40℃以内,设备的气流空塔速度一般只取0.1-0.6m/s(0.3-0.4m/s时吸附效果最好),而用蜂窝状活性炭为吸附剂时,设备的气流空塔速度可以在较大范围内选取,最大可取到2m/s的高空塔速度,因此蜂窝状活性炭很适合应用在大风量条件下对有机废气进行吸附净化。低浓度低流速均有利于吸附,穿透和吸附平衡时间更长。

(9) 吸附带的长度随着流速的增大而增大,随着活性炭粒径的增大而增加。对于单一组份来说,吸附带长度随着吸附流速增回而增加,随活性炭的粒径增回而增加。对于多组份来说,吸附量低的优先穿透,吸附量高的后穿透。在吸附带重合区,优先吸附的被后吸附的压缩,得到浓缩。

1.2 活性炭的吸附特点

单纯的活性炭因对恶臭物质无特别的选择吸附性能,且吸附量过小,几乎不单独用来处理恶臭气体。而浸渍活性炭(或称添载活性炭)是常用的脱臭剂,用于脱臭的浸渍炭可分为三类——碱性臭气脱除用炭(添载酸或用酸进行处理,使具有离子交换功能的特殊活性炭,可去除如氨、三甲胺等碱性气体);酸性臭气脱除用炭(添载碱或卤素系金属盐,使具有触媒作用的特殊活性炭,可去除硫化氢、甲基硫醇等酸性气体);中性臭气脱除用炭(添加了卤素系金属盐等化合物,使具有触媒功能的特殊活性炭,可去除甲硫醚、二甲硫醚等中性气体)。添加铜系和铁系金属盐类或氧化物的活性炭可用于脱除硅烷气体;添加膦系化合物的活性炭用于脱除氨气;添加CuO和Cu2O的活性炭可脱除氢氰酸和光气;加载 ZnO和 NaZnO2的活性炭触媒可催化脱除砷化氢及氢氰酸、光气;加载Ag2O 的活性炭触媒可催化脱除砷化氢;加载硫酸铜的活性炭可脱除氨气。

2 活性炭的脱附再生

脱附是创造与低负荷相对应的条件,引入物质或能量使吸附质分子与活性炭之间的作用力减弱或消失,从而除去可逆吸附质。

再生方法主要取决于活性炭的类型和活性炭吸附物质的性质,同时再生操作要保证不使影响活性炭吸附性能的主要孔隙容积损失太多。再生炭的吸附性能要达到原炭的90%一105%,再生得率要达到90%以上,而强度基本不变或稍有降低,再生时炭的机械磨损和破碎要少。

活性炭在再生过程中损失较大约为5%-10%,再生后的活性炭吸附能力明显下降、机械强度下降、再生过程中的尾气会造成空气污染等,当废气中有气溶胶物质或其他杂质时,吸附剂易失效。

常用的脱附方法有两种,即减压脱附与加热脱附。采用加热脱附常见的如高温蒸气脱附、氮气脱附及惰性气体脱附等。要使吸附的溶剂完全脱附出来,需要大量的蒸气,增加了运行成本。如果控制蒸气用量,溶剂残留量增加,活性炭有效吸附量下降,同时在脱附干燥段易造成溶剂挥发,从而引起排放的污染物浓度超标。变压脱附温度可以不变,一般吸附48h后减压或者是抽真空解吸30min。

2.1 热再生法

热再生法的原理是在加热条件下,使被吸附的有机物以解析、炭化、氧化的形式从活性炭基质上消除。一般蜂窝活性炭开始的脱附温度为80~90度,脱附时间长,随着活性炭的使用,脱附温度逐渐增大,但不能超过130度,并且进入活性炭层的脱附气体一定要有阻火器。

再生步骤:

(1)干燥,干燥温度一般低于100℃,主要是蒸发孔隙水,少量低沸点的有机物也会被气化。该过程需要大量的蒸发潜热,热再生过程约有50%的能耗是在干燥过程中消耗的。

(2)在约350℃时加热活性炭,使其中的低沸点有机物被分离。

(3)高温炭化,即在约800℃加热活性炭,使大部分有机物分解、气化,或以固定碳的形态残留下来。

(4)活化,即在800℃~1000℃范围内加热活性炭,使残留下来的炭,被水蒸气、二氧化碳或氧气等分解。热再生的步骤根据加热炉种类的不同也稍有差别,但差别不大。

热再生法再生率较高,可达70%~80%;再生时间短;与化学药品再生法相比,具有很强的通用性;不产生再生废液。缺点:再生后的活性炭损失率较高,一般为5%~10%;炭表面化学结构发生改变,比表面积减小;高温再生对再生炉材料要求高,再生炉设备投资高;再生能耗成本较高;活性炭反复再生会丧失吸附性能。一般蜂窝活性炭开始的脱附温度为80~90度,脱附时间长,随着活性炭的使用,脱附温度逐渐增大,但不能超过130度,并且进入活性炭层的脱附气体一定要有阻火器。

2.1.1 水蒸气脱附法

由于水蒸气热焓高且较易得,经济性安全性好,广泛适用于脱附沸点较低的小分子碳氢化合物和芳香族有机物,对于高沸点物质的脱附能力较弱,脱附周期长,易造成系统腐蚀,对材料性能要求高。水蒸汽脱附后,吸附系统需要较长时间的冷却干燥才能再次投入使用,还存在冷凝水二次污染的问题。采用低压水蒸气脱附工艺的脱附,水蒸气用量4.0 mL/min,温度140℃条件下实现回收烯烃83.22%。脱附时水蒸汽带入杂质引起活性炭失效,分离溶剂的过程中会产生大量的废水,造成二次污染;可能会破坏活性炭的孔结构和表面化学结构,导致吸附能力下降;近年来发现的热氮气脱附技术可以有效的解决上述问题。140℃脱附 30min,氮气流量为2.6 m3/h,脱附率为90%左右。脱附完成后,吸附剂需要较长时间的冷却干燥才能再次投入使用。

2.1.2 热空气再生法

与水蒸汽解吸相比,热气体解吸的冷凝水二次污染很少,对吸附系统材料的要求较低。利用热空气对活性炭纤维吸附的甲苯进行解吸,适宜的脱附工艺条件为温度180℃,脱附时间40min,脱附空气流速0.106m/s;通过建立示范工程对热空气解吸能耗进行分析,结果表明热空气脱附若采用蒸汽为加热源时,每回收1kg溶剂约需电0.5kWh及1.6kg蒸汽。小于一般蒸汽直接加热回收系统中的2~5kg蒸汽的用量。热氮气脱附是一种高效的方法,140℃脱附30min,氮气流量为2.6m3/h,脱附率为90%左右。

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