活性炭吸附蒸汽脫附回收乙酸乙酯工程分析

吳曉薇

（江蘇科易達環?？萍加邢薰?江蘇鹽城 224051）

引言

某大型化工企業主要產品為三氯蔗糖，三氯蔗糖由英國Tate &Lyle公司與倫敦大學教授Leslie Hough共同研制，1976年申請相關技術專利，并于1988年投入市場[1]；是唯一以蔗糖為原料生產的功能性甜味劑；經過長時間的毒理試驗證明其安全性極高，現已有美國、加拿大、澳大利亞、俄羅斯、中國等三十多個國家批準使用。在生產過程中，脫乙酯工段的真空泵機組及壓濾機等設備排出的有機廢氣主要成分為乙酸乙酯。乙酸乙酯是無色透明液體，濃度較高時有刺激性氣味，易揮發、易燃、沸點77℃，蒸氣能與空氣形成爆炸性混合物。在車間的產氣源處對廢氣進行收集，收集的廢氣經回收裝置可回收乙酸乙酯再次用于生產工藝。

1 工程概況

三氯蔗糖生產過程中，在脫乙酯工段有有機廢氣排放，廢氣中主要污染物為乙酸乙酯，排放點為真空機組和壓濾機。經過對現場監測數據可知，本項目廢氣中主要成分為乙酸乙酯，廢氣流量峰值為9000m3/h，冷凝預處理后乙酸乙酯濃度峰值為9400mg/m3。

本工程對各真空泵排口產生的高濃度有機廢氣先經過冷凝回收后，再接入回收裝置；對壓濾過程中產生的有機廢氣，在壓濾機正上方安裝集風罩，進行抽風，引入同一回收裝置進行乙酸乙酯的回收。

2 工藝流程及設計參數確定

2.1 有機廢氣常用凈化工藝[2][3]

（1）燃燒法

燃燒凈化時所產生的化學作用主要是燃燒氧化作用及高溫下的熱分解。因此，該法適用于凈化可燃的或在高溫下可分解的有害氣體。有機氣態污染物燃燒氧化后產生CO2和H2O。因而該法不能回收有用物質，但是由于燃燒時放出大量熱，所以可回收熱量。

（2）催化燃燒法

催化燃燒法是在氧化催化劑作用下使廢氣中的有機成分完全氧化成CO2和H2O的廢氣凈化技術。催化燃燒溫度要求低，大部分烴類和CO在300～450℃之間即可完全反應，故輔助燃料消耗少，但是存在催化劑中毒等問題。

（3）吸收法

吸收法是采用低揮發性溶劑對廢氣中的有機成分進行吸收，再利用有機分子和吸收劑之間物理性質的差異進行分離的控制技術。該法適用于濃度較高、溫度較低和壓力較高情況下有機廢氣的凈化；但由于吸收劑本身的性質不理想且吸收劑的再生與處理還存在一些問題，因此應用上受到較大限制。

（4）吸附法

吸附法是利用吸附劑表面與有機廢氣分子間相互引力的作用產生物理吸附，從而將廢氣中的有機成份吸附在吸附劑的微孔內，使廢氣得到凈化的技術。廣泛應用于苯系物、鹵代烴等有機溶劑蒸汽的吸附處理。常用的吸附劑有活性炭顆粒、活性炭纖維、沸石分子篩等多孔結構物質。吸附法在不使用深冷、高壓等手段下，可以有效的回收有價值的有機組分。

（5）冷凝法[4]

冷凝法是利用有機物在不同溫度下具有不同飽和蒸汽壓的性質，將廢氣冷卻到低于有機物的露點溫度，使有機物冷凝成液滴而從氣體中分離出來的技術。該技術多用于處理高濃度、低風量的有機廢氣。冷凝凈化法對廢氣中有機物的凈化程度受冷凝溫度的限制，處理低濃度廢氣時，需要將廢氣冷卻到很低的溫度，經濟上不合算。

（6）生物法[5]

生物法是利用微生物的生長代謝作用將廢氣中的污染物質轉變為簡單的無機物或同化為細胞體本身的組成成分，使廢氣得到凈化的技術。主要過程為：含揮發性有機物的廢氣通過與水接觸或溶解于水，在濃度差的推動下擴散到生物膜表面，經微生物的生物化學轉化和自身的代謝過程，將它們作為能源和營養物質分解和消耗掉，從而達到處理的效果。

另外近年來又發展出低溫等離子法、光催化法、膜分離法等技術，對有機廢氣也有一定的凈化效果。

本項目廢氣污染物乙酸乙酯濃度較高，綜合考慮各技術的安全可靠性和經濟性，本項目選擇使用活性炭吸附回收乙酸乙酯的技術路線。

2.2 工藝原理及流程說明

首先將收集的有機廢氣，通過循環風機引至活性炭吸附裝置進行吸附回收。吸附飽和的活性炭通入飽和水蒸氣進行脫附，解吸物乙酸乙酯經過冷凝器冷卻，再到分層槽分離，通過泵輸送至儲罐。

整個裝置包括尾氣輸送系統、吸附系統、脫附回收系統和自動控制系統。有機廢氣依次通過循環吸附風機、吸附控制閥、顆粒炭吸附罐后由排放口排放。任何時刻都有一個顆粒炭吸附罐處于一級吸附狀態、一個顆粒炭吸附罐處于二級吸附狀態、另一個顆粒炭吸附罐處于再生或者等待狀態。

吸附過程中，有機廢氣在吸附罐內通過炭層時的氣速大大降低，乙酸乙酯被吸附到活性炭顆粒的孔道之中。

吸附結束后通入飽和水蒸氣進行脫附，利用水蒸氣的熱量及吹掃作用將吸附飽和的活性炭床層中的乙酸乙酯脫附下來，混合液和混合蒸汽進入冷凝器和深冷器進行降溫，變成溫度較低的混合液后，流入分層槽進行分離，乙酸乙酯在分層槽中位于上層，溢流入計量槽，再通過磁力泵輸送至企業的粗乙酸乙酯儲罐。分層水位于下層，送入污水處理裝置。

脫附蒸汽停止吹掃后，吸附罐床層在不停地向下淋冷凝的熱水。若馬上進行干燥降溫，則需要較長時間。本項目先進行間歇淋水讓水自然控干，再進行干燥降溫。當間歇淋水完成后，吸附床層上的溫度很高、濕度很大，不利于吸附，因此，本項目采用真空泵對其進行抽真空，達到對吸附床層降溫和干燥的目的，同時殘留在活性炭表面的乙酸乙酯也會被進一步去除。

整個廢氣凈化及物料回收過程通過PLC程序自動控制，按dIIBT4進行防爆設計；吸附、脫附過程在吸附罐之間交替進行。

工藝流程如圖1所示：

圖1 吸附回收裝置工藝流程圖

2.3 主要設計參數確定

（1）廢氣成分及處理要求：該廢氣中污染物為乙酸乙酯，主要來自真空機組（真空機組廢氣在車間已經過冷凝預處理）及壓濾機，其中乙酸乙酯最大排放質量濃度約為9400mg/m3，最大廢氣流量約為9000m3/h。

（2）設計工況：根據乙酸乙酯性質、廢氣流量及濃度，考慮最不利情況的存在，吸附裝置的設計處理能力按9000 m3/h計，同時采用二級吸附回收大量的乙酸乙酯。

（3）空塔氣速：根據HJ 2026—2013《吸附法工業有機廢氣治理工程技術規范》：固定床吸附裝置吸附層采用顆粒狀吸附劑時，氣體流速宜低于0.6m/s[6]，為了提高吸附效率，本項目空塔氣速為0.25m/s。

（4）系統阻力：系統阻力包括管路系統和吸附罐本身的阻力，根據計算和實際經驗，可知整個系統的阻力〈3000 Pa。

（5）吸附結束后通入飽和水蒸氣進行脫附，脫附蒸汽壓力≤0.4MPa、溫度〈150℃。

（6）根據郭昊的《活性炭吸附回收VOCs的過程研究與工程設計》可知，活性炭對乙酸乙酯的吸附容量在18%左右，本項目吸附容量設計時保守取值為10%[7]。通過計算該設備工作周期按每天4個周期，每個周期6h設計。

3 設備參數和安全保障

3.1 主要設備參數

主要設備的規格尺寸及相關參數見表1。

表1 主要設備規格及相關參數

3.2 安全保障措施

為了保障吸附回收裝置能安全高效的運行，需注意以下問題：

（1）考慮含乙酸乙酯廢氣的爆炸極限。乙酸乙酯的爆炸極限為2.2%～11.2%。因此，本項目進入廢氣處理裝置的乙酸乙酯體積分數應〈1.1%，則該項目廢氣濃度滿足需要。

（2）考慮到整個系統始終處于頻繁切換之中，因此在需密封處選用了特殊結構的密封墊來確保系統良好的密封，滿足設備安全運行。

（3）本項目采用全自動的PLC控制，交替進行著吸附、脫附、抽真空，避免了操作人員可能發生的失誤，提高了安全系數。在設計中，將吸附時間、脫附時間、抽真空時間設計為可調式，這樣可以方便企業根據工程條件的變化進行調節。當出現運行故障時，程序自動報警并轉入待機狀態，有機廢氣通過三通放空閥緊急排放，保障了設備的安全。

（4）系統溫度的控制。吸附過程是一個放熱過程，在連續吸附操作進行時，床層溫度會持續升高，導致吸附效率下降，同時給系統的安全運行帶來隱患。因此系統采用了床層溫度報警裝置，當溫度超過設定值（150℃）時，系統會自動報警并自動切換到安全位置；同時啟動降溫裝置，保證系統正常安全運行。

（5）系統壓力的控制。在連續抽真空操作進行時，系統內壓力會逐漸減小，給系統的安全運行帶來隱患。系統采用了壓力報警裝置，當壓力低于設定值時，系統會自動進行補新風，并停止抽真空，保證系統正常安全運行。

4 運行效果及動力消耗

活性碳吸附回收乙酸乙酯裝置已完成調試，正式穩定運行，回收的乙酸乙酯滿足企業生產要求。由于廢氣中乙酸乙酯含量偶爾會達到峰值，故凈化后的有機廢氣存在不符合排放要求的情況，因此還需進一步采取治理措施以使其達標排放。

該套裝置在運行過程中主要的能耗為電和蒸汽等，其使用情況見表2：

表2 運行過程的主要能耗參數

結語

此項目現已穩定運行，處理效果穩定。項目總投資84.59萬元，吸附回收裝置每天可回收乙酸乙酯約為650kg，市場價格為4000～6000元/t，由于回收的乙酸乙酯溶液中含有一定的水分和雜質，故每噸價格按4000元估算；一年按300天工作日、每天生產24小時計，每年可回收甲苯195t，約合78萬元。因此，采用活性炭吸附法回收三氯蔗糖產品生產過程中產生的高濃度乙酸乙酯廢氣中的有機溶劑是可行的。