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吸附法治理VOCs脱附温度的选择

放大字体  缩小字体 发布日期:2018-07-24  浏览次数:280
核心提示:李守信1陈青松2 张文智2曾华英3(1.华北电力大学环境学院河北保定 071003, 2.天津大拇指环境工程有限公司天津武清3017003. 厦门
李守信1 陈青松2 张文智2 曾华英3
(1.华北电力大学环境学院 河北保定 071003, 2.天津大拇指环境工程有限公司 天津武清 301700
3. 厦门中煜环保工程有限公司 福建厦门 361000)
摘 要 在采用炭基吸附剂处理VOCs时,人们普遍认为:脱附温度与所脱附物质的沸点有关,而且
脱附温度越高,脱附效率越高。本文通过对大量工程实践的总结、分析,得出了不同的结论认为:脱附温度与所脱附物质的沸点基本没有关系,而是和它的饱和蒸汽压密切相关;脱附温度并不是越高越好,有些物质,采用高温脱附时,其脱附率反而下降。文章在分析了以上情况后,提出了脱附温度的确定原则和方法。按照此法选择脱附温度,可以大大减少能源的浪费,降低运行成本。
关键词 脱附温度 沸点 饱和蒸汽压 氮气脱附

Determination of Desorption Temperature of VOCs by Adsorption Method
Li Shouxin1,Chen qingsong2, Zhang wenzhi2, Zeng huaying3
(1.North China Electric Power University College of Environmental Sciences, Hebei Baoding 71003,
2.Tianjin Damuzhi Environment Engineering Co. Ltd., Tianjin Wuqing 301700,
3. Xiamen ZhongYu Environmental Protection Engineering Co. Ltd., Fujian Xiamen 361000)

Abstract: When carbon based adsorbent is used to treat VOCs, it is generally believed that the desorption temperature is related to the boiling point of the desorbed material. The higher desorption temperature, the higher desorption efficiency. By summing up and analyzing a large number of engineering practices, this text get a different conclusion. It is concluded that the desorption temperature has nothing to do with the boiling point of the desorbed material, but is closely related to its saturated vapor pressure; Desorption temperature is not the higher the better, some materials, high temperature desorption, the desorption rate decreased. After analyzing the above situation, the principle and method of determining desorption temperature are put forward. According to this method, the desorption temperature can be greatly reduced and the operation cost can be reduced.
Key word: desorption temperature, boiling point, saturated vapor pressure, nitrogen desorption

1.前言
在采用炭基吸附剂处理VOCs工艺中,不论采用低压水蒸气脱附还是氮气脱附,都是将脱附介质加热到一定温度后,对吸附质进行脱附。在采用水蒸气脱附时,一般都是将水蒸气加热到100℃,主要是为了利用水的潜热,另外也不用考虑设备的承压问题;当采用氮气脱附时,加热温度可以选择,要是温度超过100℃时,也不必考虑设备的承压问题。
目前在脱附温度的选择上,一般都是采用粗犷的方法:即不论脱附什么物质,水蒸气一般都定在100℃或略高;氮气则根据脱附物质的性质确定。因此,在脱附温度的选择上常常出现误区。
误区一:对于一种挥发性有机物的脱附温度,大家普遍认为:要想把这些物质从吸附剂上脱附下来,其脱附温度必须高于该物质的沸点。[1],[6]
误区二:由于误区一的认识,使得本不应该使用的高温,却错误地采用高温进行脱附,从而造成能源的浪费。由于误区二的认识,在某些对失效活性炭进行再生时,也常常采用高温处理的方法。而这种处理方法,不仅收不到理想的效果,而且会造成能源的浪费。
本文通过大量的工程实践分析,得出了不同的结论,现提出来供同行们讨论。
2.吸附法治理VOCs工艺简介
采用吸附法处理VOCs的一般工艺流程如图1所示[2]。
3、吸附法治理VOCs所采用的一般脱附方法[3]
吸附法处理VOCs工艺流程
(1) 升温脱附 采用升高温度的方法,使吸附质分子由固体吸附剂上逸出而脱附的方法,称为升温脱附。升温脱附经常采用水蒸汽、热的惰性气体(如氮气)、热烟气或采用电感加热等方式。
(2)降压脱附 采用比吸附时压力低的气体通
入吸附床,使吸附在吸附剂上的物质脱附下来(如真
空脱附)的方法,称为降压脱附。
(3)置换脱附 采用在脱附条件下与吸附剂亲合能力比原吸附质更强的物质,将原吸附质置换下来的方法,称为置换脱附。
(4)吹扫脱附 采用不被该吸附剂吸附的气体(如惰性气体)对床层进行吹扫,将吸附质脱附下来,称为吹扫脱附。
实际应用中,往往是几种脱附方法的结合,例如用水蒸汽脱附,就同时具有加热和吹扫的作用。
4. 工程实践中观察到的一些VOC的脱附温度、脱附效果及其分析
4.1 一些挥发性有机物的脱附情况
在工程实践中我们观察到的一些挥发性有机物的脱附温度及效率(表一)
表一 一些挥发性有机物的沸点、饱和蒸汽压、脱附温度及效率
一些挥发性有机物的沸点、饱和蒸汽压、脱附温度及效率

4.2对表一的分析
由表一可以看出:
(1)脱附温度与物质的沸点基本上没有关系:以三甲苯为例,其沸点是:164.7℃,而我们采用100℃的水蒸气,却能够将其很好地脱附下来(脱附率97.01)。而对于比它的沸点低得多的丙烯酸(沸点:141℃),则采用100℃的水蒸气进行脱附,丝毫不起作用。
(2)纵观表中的各种物质,凡是饱和蒸汽压在10.0kPa以上的物质,采用100℃的水蒸气都能够很好地脱附下来。而饱和蒸汽压较低的物质,如苯乙烯(25℃时为0.841)、邻苯二甲酸二丁酯(148.2℃时为0.13)、丙烯酸丁酯(20℃时为0.53)等,虽然它们的沸点比三甲苯低得多,但是,由于它们的饱和蒸汽压很低,采用100℃的水蒸气仍然无法将它们脱附下来[4]。
由此可以得出结论:物质的脱附温度基本上与它的沸点无关,而和它的饱和蒸汽压有着密切的关系。
(3)一些物质为什么难以脱附,我们从它们的饱和蒸汽压数据中找到了答案:这些物质之所以难以脱附,皆因为它们的饱和蒸汽压很低造成的。由此,我们也纠正了对苯乙烯难以脱附的原因归结到“苯乙烯在吸附剂表面发生了聚合反应”[5]的错误认识。
(4)对于难以脱附的物质,当采用热氮气脱附时,并不是温度越高,脱附得越彻底,过高的脱附温度反而使其脱附效率下降。如表1中所示,在采用热氮气对甲基异丁酮(沸点115.8℃,20℃时的饱和蒸汽压为2.13kPa)进行脱附时发现,当温度升至100℃时,脱附率只有63.10%;为了提高脱附率,我们一下子将氮气温度提高到170℃,此时的脱附率达到76.50%;这时考虑再升温已毫无意义,于是就试着向下降,结果发现,脱附率反而逐渐上升。当温度降至110℃时,脱附率达到了峰值:99.20%。于是得出,对于难以脱附的物质进行脱附时,并不是温度越高,脱附得越彻底,过高的脱附温度反而使其脱附效率下降。因此,如遇此类问题时,则应通过实验,慎重地选择适当的脱附温度,以取得最佳的脱附效率。
4.3对以上现象的分析
4.3.1为什么脱附温度与饱和蒸汽压有关?这一点需要从脱附的原理上去找原因[5]。
从脱附的原理上讲,吸附质从吸附剂表面脱附的根本原因是,吸附质分子必须克服吸附剂表面对它的引力,增大它脱离表面的推动力。也就是说,要想使吸附质分子从吸附剂表面脱附下来必须给它能量或推动力,使其能够从吸附剂表面“蒸发”到吸附剂孔道中,从而进入气相主体。而在通常采用的脱附方法中,加热脱附是给它提供能量,以增加分子的动能;吹扫脱附和降压(真空)脱附,都是为了降低吸附剂孔道中废气分子的分压,也就是蒸汽压,给废气造成一个浓度差,从而给废气分子由吸附剂表面向气相转移提供一个推动力,这个推动力越大,废气分子的脱附速度就越快。所以,从这个理论出发就不难理解,吸附质的脱附温度是与其饱和蒸汽压直接相关的,而与它的沸点无关。
另外,从我们日常的生活常识中也可以得到启发:我们平时洗的衣服搭在外面,通常情况下,气温并没有达到水的沸点,而衣服也能够很好地晾干。
3.3.2 对于一些饱和蒸汽压较低的物质脱附时,为什么温度过高反而使脱附率下降?
对于这个问题的回答,我们只能从理论上进行推测。从吸附的分类上说,可以分为物理吸附和化学吸附。物理吸附时,所形成的键能只得到范德华力的范围,即最大只有80kJ/kmol左右,而化学吸附的吸附键力可达到400kJ/kmol以上。在物质的吸附上,往往存在一种现象:当温度低时是物理吸附,如果温度升高,则可能转变为化学吸附[3]。也就是说,当脱附温度过高时,使本来存在的物理吸附状态可能转化成了化学吸附状态,使得吸附键的键能大大增加,因而反而不易脱附下来。这就是为什么温度过高,反而使物质的脱附率下降的原因。
当然,要想彻底搞清这个问题,只能对两种状态的吸附键的键能进行测定。然而,目前对吸附键键能的测定还比较困难,虽然有人采用同步辐射光电离的方法,能够测定一些物质的化学键的键能,但是,采用此法能不能很好地测定吸附键的键能,目前还未见报道。
4、关于脱附温度确定方法的建议
脱附温度确定的依据应根据物质的饱和蒸汽压进行确定。具体建议如下:
4.1对于饱和蒸汽压>10kPa的物质,原则上都可以采用100℃的水蒸气进行脱附;但是,从节约能源的角度讲,建议对饱和蒸汽压比较大、且沸点比较低(比如<70℃)的物质,如:丙酮:沸点56.1℃,饱和蒸汽压2371.86kPa(100℃);四氢呋喃:沸点66℃,饱和蒸汽压101.33kPa(66.0℃);二氯甲烷:沸点39.75℃,饱和蒸汽压80.00kPa(35℃)等,是否可以采用较低温度的氮气进行脱附,这样不仅降低脱附剂的温度,同时在对脱附后混合气体的冷凝时,也没有必采用温度很低的冷凝水进行冷凝分离(如二氯甲烷需要采用7℃低温水进行冷凝分离),从而浪费那么多的能源。这样计算起来,就可以节约不少的能源。
4.2对于饱和蒸汽压较低的物质采用高温脱附时,也要采用适当的温度进行脱附,这样既能收到高的脱附效率,同时达到节能的目的。
当然这些物质的脱附温度究竟选择多少度,目前还没有现成的数据可以查寻,还需要进行反复的实验才能初步确定,然后再进行经济可行性分析,才能最后确定所选择的脱附温度是否可用。
5、结束语
本文通过对工程实践中接触到的物质吸附-脱附过程的分析,得出如下结论:
(1)挥发性有机物脱附的温度与其沸点没有关系,而与它们的饱和蒸汽压有着密切关系[5]。因此,可以根据物质的饱和蒸汽压去选择适当的脱附剂,确定合适的脱附温度。
(2)从节能的角度考虑:对于沸点较低、而饱和蒸汽压较高的挥发性有机物,建议采用较低温度(比如<100℃)的氮气进行脱附,这样既可以在脱附时节约能源,而且在冷凝分离时也可以达到节能的目的。
(3)对于饱和蒸汽压特别低、沸点比较高的挥发性有机物,采用高温脱附时,不是温度越高,脱附效果越好,过高的温度反而会降低脱附率。

参考文献
[1]林肇信主编·大气污染控制工程·北京:高等教育出版社,1995
[2]郭静,阮宜伦主编.大气污染控制工程.北京:化学工业出版社,2001
[3]赵毅,李守信主编.有害气体控制工程. 北京:化学工业出版社,2001
[4]中国环保产业协会.注册环保工程师专业考试复习教材.北京:环境科学出版社,2007
[5]李守信主编.挥发性有机物污染控制工程.北京:化学工业出版社,2017.
[6]李守信,陈青松.挥发性有机物治理工艺探讨[J]中国环保产业,2016(4)32-35
 

 
 
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