活性炭吸脱附+冷凝回收处理VOCs的几点设计误区

VOCs减排工作站 2021-05-08

活性炭吸附蒸汽脱附+冷凝回收是解决医药及农药等化工行业中高浓度卤代烃废气的优良解决方案，这里的核心是通过设计实现优良的过滤风速和停留时间，同时注意活性炭吸附罐的材质的选择，一般要求选择316L或2205的材质，加上合理的吸脱附程控制，在特定工况下，可能其实是优于RTO系统的解决方案。下面来分享下此类工艺经常碰到的几点设计考虑误区：

1.VOCs废气通过吸附床层的风速

有很多教科书写到，VOCs气体通过吸附剂床层的风速一般为0.2〜0.6m/s。实际我们的《吸附法工业有机废气治理工程技术规范》（HJ 2026-2013）国家工程技术规范也是这么写的。通过工程实践发现，当人们利用活性碳纤维作吸附剂处理VOCs时，所使用的最大风速不会超过0.15m/s，因为由于受到床层阻力的限制，一般活性碳纤维层的厚度不会超过150mm。那么为什么老的教科书给出这个数据呢？考查发现：过去人们大都采用颗粒活性炭作吸附剂，它的床层厚度一般设计在0.2〜0.8m，最大不会超过1.2m，所以就给出了这个数据。实际上，通过工程实践发现，废气通过床层的速度是由废气在床层中与吸附剂的接触时间决定的。总结工程实践，废气在吸附床层内与吸附剂的接触时间为1〜2s 即可将废气中的吸附质吸附下来，也就是说，采用这样的风速，完全可以满足治理要求。

2.脱附温度

关于脱附温度，很多人都认为与吸附质的沸点有关，认为要想把高沸点的物质从吸附剂上脱附下来，脱附介质的温度必须高于该物质的沸点。实践证明这种观点是错误的。以双氧水行业回收三甲笨为例，三甲苯的沸点为164. 7，而采用 100℃的水蒸气即可将三甲苯完全脱附下来。有不少工程实践都证明了这一点。为此可以得出结论，吸附质的脱附温度与其沸点没有直接关系，而是和它的饱和蒸气压有关。这个结论可以用脱附原理来说明。

大家都知道，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，也就是蒸气压，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气压直接相关的，而与它的沸点无关。如洗过的衣服通常是在低于水的沸点下晾干的。

3.采用水蒸气脱附后是否都需要干燥

不一定。当采用活性碳纤维作吸附材料时，就不需要设置单独的干燥工序；而采用颗粒活性炭作吸附材料时就必须进行干燥。在20世纪80〜90年代PVC行业用颗粒活性炭作吸附剂回收氯乙烯单体时，各治理厂家无一例外地都有热空气干燥这一步。而到本世纪初，有的工程公司改成活性破纤维作吸附材料时，就大胆地省去了热空气干燥的工序，而且将整个回收工艺由原来的5步筒化为3步。为什么可以省去千燥工序？经过认真分析认为，经过水蒸气脱附的炭基吸附剂的微孔中存在着的水分有2类，一类为“自由水”，另一类是吸附在炭基吸附剂表面的“吸附水”。由于颗粒活性炭的孔道长且孔体积比活性碳纤维大得多，这样，在脱附后的颗粒活性炭中就会存有大量的“自由水”；因此，当颗粒活性炭脱附完成之后，必须通过干燥，把吸附剂中的 “自由水”蒸发掉，才能使再进入的废气分子与吸附剂表面接触，将“吸附水”分子置换下来。而由于活性碳纤维的微孔体积比颗粒炭的微孔体积小得多，很难有“自由水”存在，因此可以省去热空气干燥，脱附完了可直接转入吸附工序。这祥不仅可以使脱附水蒸气的用量大大降低，而且使吸附回收工序大大缩短，降低了运行成本。

附：活性炭脱附VOCs效果分析

（1）脱附温度与饱和蒸气压的关系。从脱附原理上讲，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，就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，加热脱附是给其提供能量，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，也就是蒸气压，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气压直接相关的，而与它的沸点无关。

（2）一些饱和蒸气压较低的物质在脱附时，温度过高反而会使脱附率下降。从吸附的分类上说，可分为物理吸附和化学吸附。物理吸附，所形成的键能只在范德华力的范围，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。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。但目前对吸附键键能的测定还较困难，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。

对脱附温度确定方法的建议

（1）对于饱和蒸气压＞10kPa的物质，原则上都可以采用100℃的水蒸汽进行脱附；但从节约能源的角度讲，建议对饱和蒸气压较大且沸点较低（如＜70℃）的物质，如：丙酮：沸点56.1℃，饱和蒸气压2371.86kPa （100℃）；四氢呋喃：沸点66℃，饱和蒸气压101.33kPa（66.0℃）；二氯甲烷：沸点39.75℃，饱和蒸气压80.00kPa（35℃）等，建议采用较低温度的氮气进行脱附，这样不仅可降低脱附剂的温度，同时在对脱附后混合气体冷凝时，也不用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），就可以节约能源。由于采用了氮气脱附，也就省去了对冷凝水的处理问题。

（2）对于饱和蒸气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，也能达到节能目的。

当然，对于各种物质脱附温度的选择，目前还没有现成的数据可以查询，还需要进行反复实验才能初步确定，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合适。

以上内容仅供VOCs治理同行参考。

来源：网络，VOCs减排工作站再编辑。

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