VOCs

VOCs在颗粒炭固定床吸附器上吸附行为的研究

作者：罗福坤

来源：《海峡科学》2009年第06期

[摘要]针对挥发性有机废气的回收治理工艺中的典型吸附材料颗粒炭,以甲苯为VOCs的代表物,对影响吸附器性能的床层高度、气体浓度、空床流速等因素进行了探讨。研究表明,颗粒炭对甲苯废气处理效果良好。 [关键词]VOCs回收治理甲苯

挥发性有机化合物(Volatile Organic Compounds,简称VOCs)是石油化工、制药工业、印刷工业、涂装行业、表面防腐等行业排放废气中的主要污染物。大多数的VOC都具有毒性,对人的眼、鼻、呼吸道有刺激作用,对心、肺、肝等内脏及神经系统产生有害影响,甚至造成急性和慢性中毒,可致癌、致突变。VOC会破坏大气臭气层,产生光化学烟雾及导致大气酸性化。世界各国都在通过立法不断限制VOC的排放量,如美国《净化大气法》强调在未来几年要减少189种有毒化学品90%的排放[1],其中70%的化学品是挥发性有机化合物。

VOCs的治理方法主要有催化燃烧法[1,2,3]、冷凝法、吸收法[4,5]、生化法[6]和吸附法[7,8]。其中吸附法因其具有简单、实用、环保、可回收等优点而成为最有潜力的VOCs治理方法。近年来,随着不可再生的资源的日益短缺,各种溶剂价格一路上涨,使对各种VOC尾气中的有机溶剂进行回收成了迫在眉睫的任务,同时回收的溶剂所带来的经济效益也成为企业利润的一个新的增长点。

在挥发性有机废气的回收治理工艺中,颗粒炭吸附—水蒸汽脱附—冷凝回收是一种典型的回收工艺。本文针对该工艺中的核心吸附材料颗粒炭,建立了动态吸附实验装置,系统研究了吸附床层高度、废气浓度、吸附器空床流速等参数对甲苯废气在颗粒炭固定床吸附器上吸附行为的影响,以备工程设计时参考。 1实验部分 1.1 实验流程

本实验流程如图1所示,主要包括配气系统和吸附系统。配气系统由恒温水浴锅、蒸发瓶、混合瓶和两路气体组成。吸附过程在一根Φ30×300的层析玻璃柱中进行。整个管路采用Φ10的耐温硅胶管连接,系统密封可靠。检测系统采用气 相色谱仪直接气体进样分析。

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图 1吸附实验流程图

吸附材料采用国内某厂家提供的溶剂回收用柱状颗粒炭,外形尺寸Φ4×8mm,吸附质采用甲苯废气。 1.2 分析方法

气相色谱仪分析:国产GC1100型,北京普析通用仪器有限责任公司。 检测器:氢火焰检测器。

色谱柱:采用SE-30毛细管柱,30m×Φ0.32mm×1.0μm。 柱温:120℃,进样室温度:150℃。 检测器温度:160℃。

分流比:30:1(分流流量60mL/min)。 进样量:200μL气体直接进样。 2实验结果及分析 2.1 吸附床层高度的影响

以甲苯作为VOCs的代表物,通过改变吸附柱中填装的颗粒炭层高度,考察碳层高度对相同穿透点所对应的颗粒炭吸附率的影响。该系列实验中甲苯废气浓度在5g/m3左右,碳层流速0.18m/s。不同床层高度的穿透曲线如图2所示,从

*注:国家863计划资助项目,课题名称:大气挥发性有机物排发控制技术与应用示范。重大项目名称:重点城市群大气复合污染综合防治技术与集成示范,课题编号:2006AA06A310。 图中可以计算出当甲苯废气上的穿透率达到10%时,5cm、10cm、15cm床层对应的穿透时间分别为:113min,242min,378min,对应的吸附率分别为:24.97%,27.45%,27.33%。 图 2不同吸附床层高度的穿透曲线 吸附率计算公式:吸附率=

从图中可以看出不同高度碳床的穿透曲线形状基本相同,除了5cm高度的碳层在穿透率为10%时对应的吸附率稍低,10cm与15cm高度的碳层在穿透率为10%时所对应的吸附率基本相同。通过传质区模型[9]计算(假设传质区通过吸附器的速度和宽度皆为定值),得传质区通过吸附

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器的速度为0.0368cm/min,传质区宽度为9.2cm,由于碳层高度5cm已经远低于一个传质区宽度,因此相同条件下测量的吸附率偏低。 2.2 不同甲苯进口浓度的影响

实验条件:吸附温度:28℃;吸附床层高度:10cm;流速:0.18m/s;甲苯废气浓度:3.48g/m3,5.66 g/m3,8.09 g/m3,12.88 g/m3。

不同甲苯浓度的废气在颗粒炭上的穿透曲线如图3所示,由图可得随着浓度的变大,穿透曲线的形状由平缓变得越来越陡,即随着废气浓度的增加,相同碳层高度的活性炭变得越来越容易穿透。

图 3不同甲苯浓度的穿透曲线

由图3的曲线,计算出在不同出口浓度下分别对应的颗粒炭动态吸附率如表1所示: 表 1不同出口浓度下的颗粒炭动态吸附率

进口甲苯浓度(g/m3) 出口甲苯浓度为100mg/m3的吸附率(%) 出口甲苯浓度为300mg/m3的吸附率(%) 出口甲苯浓度为400mg/m3的吸附率(%) 出口甲苯浓度为500mg/m3的吸附率(%) 3.48 22.27 26.73 28.02 28.74 5.66 20.08 24.62 25.75 26.77 8.09 20.73 24.08 24.75 25.58 12.88 17.12 21.4 22.2 23.27 吸附率计算公式:吸附率=

由表1可知,随着废气浓度的增加,在相同出口浓度下,活性炭的吸附率是逐渐降低的,由此可见浓度越高对吸附过程越不利。而对相同浓度的废气,随着出口浓度的增加,吸附率也会相对增加,这从我们吸附率的计算公式中也可以直接推测。 2.3 不同空床气速的影响

实验条件:吸附温度:28℃;吸附床层高度:10cm;甲苯浓度:≈5g/m3;空床气速:0.1m/s,0.3m/s,0.5m/s,0.75m/s。 图 4不同空塔流速的穿透曲线

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不同空床气速的穿透曲线如图4所示,由图可得随着空床气速的增加,穿透曲线的形状也会由平缓变得越来越陡,即随着流速的增加,相同碳层高度的活性炭变得越来越容易穿透。通过穿透曲线计算,在吸附过程中当出口甲苯浓度都达到500mg/m3时,各流速下吸附碳床对应的吸附率如表2所示。如表所示,除了流速在0.1m/s时的吸附率较高外,0.3和0.5m/s流速下的吸附率差别不大,而当流速增加到0.75m/s时,吸附率有开始明显下降的趋势。 表 2不同流速下的甲苯吸附率 流速(m/s) 0.1 0.3 0.5 0.75

出口浓度=500mg/m3时的吸附率(%) 36.06 27.75 28.06 23.88

在实验中我们发现流速对碳床压降的影响也非常明显,图5为该颗粒炭空塔气速与压降的曲线,在一定流速的范围内,压降和流速几乎成正比关系。因此在吸附器工程设计过程中,不管从对吸附率的影响或从对床层压降的影响出发,空床流速的选取都应该非常值得注意。笔者认为对于颗粒炭吸附器,空床流速控制在0.1～0.5m/s之间是比较合适的。 图 5流速与压降的关系 3结论

本文中的吸附实验都是在室温(30℃)、大气湿度在80%左右的条件下进行,与工程实际基本相近。由于颗粒炭表面的疏水特性[10],该颗粒炭在实验条件下对非极性的甲苯废气的吸附实验中显示了优异的处理效果。

在甲苯浓度5g/m3,空塔气速0.18m/s的条件下,该颗粒炭传质区宽度为9.2cm。因此在工程设计中,碳层高度至少应大于9.2cm,实际中一般取60~100cm。

进口气体浓度越大,颗粒炭床层越容易被穿透,因此在实际工程设计中,针对不同进口浓度的废气治理,应有针对性的、合理的选择不同吸附率的活性炭,对高浓度的废气可以选择高吸附率的活性炭,对低浓度的废气治理可以选择吸附率较低的活性炭进行治理,以达到合理利用资源的目的。

气体流速对颗粒炭的动态吸附率和吸附器床层压降都有较大影响,如果气体流速过大则设备压力降增大,耗电量和维修费用增高,如果气流速度过小,则吸附器断面积过大,设备占地面积增大。在实际设计中应认真考虑流速的影响,笔者认为空床流速控制在0.1～0.5m/s之间对吸附器设计都是合适的。 参考文献:

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