吸附法回收氯乙烯工藝改進的研究
來源： 閱讀：1551 更新時間：2008-08-01 11:45摘 要：在氯乙烯精餾尾氣回收中，采用活性炭纖維吸附工藝替代顆粒活性炭吸附工藝。該工藝的改進，不僅大大地簡化了工藝流程，由原來的5個單元減少到2個單元，將加壓吸附改為常壓吸附取消了-35℃冷鹽水降溫和冷空氣降溫、熱空氣干燥、氮氣置換等工序，還大幅度地降低了脫附蒸汽用量，脫附蒸汽消費由原工藝6kg/(kg·氯乙烯)降至1.5kg/(kg·氯乙烯)，并且提高了氯乙烯的回收率和質量，使氯乙烯的回收率穩定在90％以上，尾氣排氣濃度在1%以下。
關鍵詞：聚氯乙烯；氯乙烯；活性炭吸附法；活性炭纖維；工藝
目前，在傳統的氯乙烯精餾尾氣回收中，不少廠家都采用顆粒活性炭吸附工藝。但這類工藝，由于采用的是顆粒活性炭吸附材料，使得工藝流程復雜、操作穩定性和安全性差、氯乙烯回收率低，運行費用高。針對上述缺點，河北中環環保設備有限公司通過理論和實踐的研究，經過一年的努力，在國內首次開發出來用活性炭纖維吸附回收氯乙烯的工業化裝置，取得了很好的運行效果。不僅大大地簡化了工藝，由原來的5個單元減少到2個單元，將加壓吸附改為常壓吸附，取消了35℃冷鹽水降溫、熱空氣干燥、冷空氣降溫、氮氣置換等工序、而且還簡化了操作，加強了運行的安全性和穩定性，提高了氯乙烯的回收率和質量，收到了很好的環境效益和經濟效益。
1.由加壓吸附改為常壓吸附
由加壓吸附改為常壓吸附主要是由吸附劑的性質和兩種吸附結構決定的。固體吸附劑主要是利用其巨大的內表面對氣體進行吸附，吸附劑對氣體的吸附過程一般要經過以下3個階段：
(1)外擴散，氣體分子由氣相主體向固體吸附劑外表面的擴散；
(2)內擴散：氣體分子由固體吸附劑外表面向內表面的擴散；
(3)吸附：到達固體吸附劑內表面的氣體分子被吸附劑內表面吸附，這個過程的速度是極快的。
因此，內、外擴散對氣體的吸附速度有決定性的影響。
由于活性炭顆粒的當量直徑有幾毫米甚至十幾毫米，因此微孔孔道很長，其長度要比活性炭纖維大2～3個數量級。要想使氣體分子通過長度比活性炭纖維大2～3個數量級的孔道，不用加壓的方式是很難達到的；而活性炭纖維，由于其孔道極短，常壓下氣體就能很容易地充滿整個孔道。從吸附床的結構看，由于傳統吸附工藝的床層厚度多在2m以上，且床層孔隙率低，因而床層阻力大；而活性炭纖維吸附床的床層厚度不超過0.5m，且床層孔隙率很高，因而床層阻力小。從這一點上講，就能理解為什么新工藝將加壓吸附改成了常壓吸附。
2.取消了低溫鹽水和冷空氣降溫
吸附是放熱過程，實驗研究，每吸附1 mol的有機溶劑，可能要放出60～80kj的熱量，這樣就會導致床層升溫，當床層溫度超過40℃，吸附效率將迅速下降。傳統工藝采用低溫鹽水(盤管或列管式)對吸附床層降溫的原因是：由于傳統工藝床層厚，吸附時間長(一般為8h)，加上床層孔隙率低，傳熱效果差，使床層升溫很快，因此必須采用低溫鹽水不斷地為床層降溫，以保持吸附效果。
傳統工藝的冷空氣降溫是在熱空氣干燥之后，也是為了床層溫度降到40℃以下，有利于下一步的吸附。新工藝取消了這兩個工序的原因是因為活性炭纖維不僅孔隙率高，傳熱效果好，而且床層薄，加之吸附周期短（一般不會超過0.5h），因而，在吸附過程中熱量積聚很少，不會造成床層的溫度顯著聲高，對吸附效果也不會有影響。對經過水蒸氣脫附過的床層，設計了內循環降溫系統，利用經過第一次吸附的尾氣對床層進行冷卻，效果很好。
3.大幅度降低了脫附蒸汽用量
絕大部分有機溶劑吸附工藝都采用水蒸氣脫附，因其安全，潛熱大。脫附水蒸氣主要分為3部分：
(1)加熱蒸汽（主要用來加熱床層及系統）；
(2)脫附蒸汽（把被吸附的有機物脫附下來）；
(3)動力蒸汽（把脫附下來的有機物吹出床層）。
在傳統工藝中，由于吸附在活性炭上的氯乙烯在很深的孔道里面，又加上吸附劑床層很厚，阻力大，這就決定了要把氯乙烯脫附下來并且吹出床層，就必須耗費大量的蒸汽；而新工藝采用活性炭纖維，孔道短，易脫附，又加之床層薄，阻力小，所以僅使用少量的蒸汽就可以完成脫附。工藝實踐充分證明，傳統工藝脫附1kg氯乙烯要耗費6kg以上的蒸汽，而新工藝脫附1kg氯乙烯耗費的蒸汽在1.5kg以下。
4.取消了熱空氣干燥
根據Langmuir吸附理論，吸附劑的吸附容量是與其表面積成正比的。由于經過水蒸氣脫附，床層中會留下大量的水分子，這些水分子會占據吸附劑的表面，因此會影響新一輪的吸附。傳統的理論還認為，由于水分子對吸附表面的親和力大，如果不除去，這些水分子會占據吸附劑表面，很難再進行新的吸附。
但是，隨著對活性炭（包括活性炭纖維）用于有機溶劑吸附理論和吸附實踐的研究，國內外學者都發現，水分子在炭吸附劑表面的存在對大部分有機溶劑的吸附都不會造成影響，進一步研究發現，這些有機溶劑分子對活性炭表面的親和力遠大于水分子對活性炭表面的親和力，因而，在新一輪吸附時，只要溫度合適，有機溶劑分子就完全可以把水分子置換下來。
根據以上分析，傳統的顆粒活性炭吸附氯乙烯工藝是不可以去掉熱空氣干燥的。脫附用水蒸氣會有一定的量凝結成水留在炭層里。這一定量的凝結水分為兩部分：吸附在內表面的吸附水及積存在活性炭孔道里的游離水。由于活性炭纖維絕大多數為0.0015～0.0030μm的小孔，而顆粒活性炭除小孔外，還有0.01～0.1μm的中孔和0.5～5.0μm的大孔，因而，經過脫附后的顆粒活性炭中所含的主要是凝結水，這也就是傳統工藝脫附蒸汽用量遠遠大于新工藝的原因。如果不用大量的熱空氣把這些凝結水蒸發掉，就很難再進行新一輪的吸附。
新工藝之所以取消了熱空氣干燥，原因是在吸附劑孔道里的主要是吸附水，再吸附時，有機溶劑分子基本上可以把它們置換出來。這一點在我們對苯類、氯乙烯等的吸附工程實踐中已多次得到了證實。
5.取消了氮氣置換
傳統工藝中之所以加進了氮氣置換，主要是要求整個工序中的含氧量不超標。由于在前道工序中設置了熱空氣干燥、冷空氣降溫，吸附床層充滿了空氣，必須用氮氣把它們置換掉，以保證整個系統運行的安全及回收的氯乙烯中含氧量不超標。
新開發的工藝取消了氮氣置換工序，主要原因是開發出了一套具有獨立知識產權的專有技術。這項的開發成功，徹底切斷了空氣向運行系統的滲入，因而，完全沒有必要再用氮氣去置換，保證了系統運行的絕對安全，回收到的氯乙烯完全合格，可將它們直接回送到生產系統。
6.結 語
河北中環環保設備有限公司開發出的氯乙烯回收新工藝，從吸附原理的研究著手，在對傳統工藝進行認真分析的基礎上，進行了大膽的改革，開發出了一套全新的工藝裝置，經過實際的工業化應用，使氯乙烯的回收率穩定在90%以上，尾氣排放濃度在1%以下，投資回收期在1年之內，而該套裝置可穩定運行8年以上，收到了很好的環境效益和經濟效益。
