乙酸丁酯廢氣治理工藝研究

王潔，袁東超，鄧妍，武莉婭，盧嬌玲，楊宗政

(1.天津科技大學 化工與材料學院，天津 300457；2.天津市津津藥業有限公司，天津 300380； 3.天津科技大學 海洋與環境學院，天津 300457)

乙酸丁酯廣泛應用于化工、制藥、涂料和皮革等工業生產中[1]。乙酸丁酯易燃，與空氣能形成爆炸性混合物，對生產企業產生安全隱患。近年來，國家針對揮發性有機物的排放標準頒布了多項法律條文[2]。

目前處理乙酸丁酯廢氣的研究以吸收法[3-6]和生物法[7-8]居多。生物滴濾法對微生物接種條件、水量、pH值的控制及營養物質要求較高[9]，而吸收法具有效率高、處理量大、操作簡單，且污染物便于回收利用等優點被廣泛應用[10-11]。重要的是，現有的工藝治理效果不能滿足新的VOCs排放標準(80 mg/m3)。

本文以油酸甲酯和油酸乙酯混合溶液(1∶1體積比)為吸收劑處理乙酸丁酯廢氣，研究了吸收塔填料層高度、吸收劑溫度和吸收劑使用次數對處理效果的影響，研究出達到排放標準的最適工藝條件。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

乙酸丁酯、油酸甲酯、油酸乙酯均為分析純。

ACO-818型空氣泵；BT100-2J型蠕動泵；吸收塔(填料層高度1 000 mm，塔徑50 mm，采用陶瓷散裝填料)；PID VOC氣體檢測儀。

1.2 實驗方法

實驗流程見圖1。

圖1 實驗裝置流程圖Fig.1 Flow chart of experimental device1.空氣泵；2.緩沖罐；3.汽化罐；4.吸收劑保溫箱；5.吸收塔；6.吸收、解吸塔；7.蒸汽發生器；8.蠕動泵；A.檢測點；F1、F2.流量計；T1、T2.溫度計；H.活接口

汽化罐裝有乙酸丁酯液體，空氣泵將新鮮空氣經緩沖瓶緩沖后送入汽化罐，通過空氣吹脫液態乙酸丁酯，形成乙酸丁酯與空氣的混合氣體，以模擬工廠乙酸丁酯廢氣。吸收劑經蠕動泵從塔頂進入吸收塔逆流吸收模擬廢氣。經一級吸收后的氣體從塔頂流出，經管道進入二級吸收塔底部進行二次吸收。一級吸收塔與二級吸收塔間用軟管以活接口相連，打開活接口即為單塔吸收。在解吸操作中，通過蒸汽發生器將水加熱成熱蒸汽進入解吸塔，與來自塔頂的吸收液進行逆流解吸。

實驗通過空氣流量計和乙酸丁酯流量計調節進塔廢氣流量和乙酸丁酯質量濃度，進塔吸收劑流量可以通過蠕動泵轉速大小進行調節；進塔吸收劑溫度可經塔頂溫度計測量；進塔和出塔乙酸丁酯濃度可通過VOCs檢測儀檢測。實驗均在常壓條件下進行。

乙酸丁酯的吸收率由下式計算：

η=(Cm1-Cm2)/Cm1

其中η——吸收率；

Cm1——進塔乙酸丁酯質量濃度，mg/m3；

Cm2——出塔乙酸丁酯質量濃度，mg/m3。

2 結果與討論

2.1 填料層高度對吸收效果的影響

吸收劑溫度10 ℃，廢氣流量2 m3/h，吸收劑流量3.7 L/h，進塔乙酸丁酯質量濃度5 550 mg/m3，研究了填料層高度對乙酸丁酯的吸收效果，結果見圖2。

由圖2可知，乙酸丁酯吸收率隨著填料層高度的增加而增加，出塔濃度隨之減小，當填料層達到一定高度時，吸收率的增加也趨于平穩。這是因為填料層高度的增加，提供了更大的氣液接觸面積，同時也延長了接觸時間，增強了傳質效果。當填料層達到一定高度時，氣液接觸已經足夠充分，所以吸收率最終趨于平穩狀態。當填料層高度為1 000 mm時，乙酸丁酯吸收率達到了94.4%。

圖2 填料層高度對吸收率的影響Fig.2 Effect of height of packing layer on absorption rate

2.2 吸收劑溫度對吸收效果的影響

進塔氣體濃度5 550 mg/m3，廢氣流量2 m3/h，吸收劑流量3.7 L/h，填料層高度1 000 mm，研究吸收劑溫度對乙酸丁酯吸收效果的影響，結果見圖3。

圖3 吸收劑溫度對吸收效果的影響Fig.3 Effect of absorbent temperature on absorption

由圖3可知，吸收劑溫度對吸收率的影響較大，當吸收劑溫度在10 ℃以內時，吸收率在94%以上，當溫度高于20 ℃時，吸收率會降到90%以下。由于吸收劑溫度的增加會加大氣液兩相的平衡分壓，降低傳質推動力。同時，根據亨利定律，當溫度升高時，亨利系數會增加。所以當吸收劑溫度升高時，乙酸丁酯吸收率會隨之減小，這與現有文獻的結論相符[12-13]。考慮到吸收劑溫度降低的成本問題，本研究選用吸收劑溫度為10 ℃。

2.3 吸收劑重復使用次數對吸收效果的影響

吸收劑溫度10 ℃，吸收劑流量3.7 L/h，氣體體積流量2.0 m3/h，進塔廢氣濃度為8 010 mg/m3，吸收劑連續進行吸收。解吸實驗條件：采用填料解吸塔，填料層高度1 000 mm，吸收液流量15 L/h，水蒸氣流量1 m3/h。每次吸收塔吸收之后利用解吸塔進行解吸操作，考察吸收劑重復使用次數對吸收效果的影響，結果見圖4。

圖4 吸收劑重復使用次數對吸收效果的影響Fig.4 Effect of the number of repeated use ofabsorbents on absorption

由圖4可知，當用純吸收劑時，乙酸丁酯吸收率較高，隨著吸收劑使用次數的增加，吸收率逐漸減小。這是因為乙酸丁酯易揮發，吸收劑的多次使用會使原吸收的乙酸丁酯部分解吸出來，所以此吸收劑對乙酸丁酯吸收后，在沒有解吸條件下吸收率下降較快。在一定條件下，當吸收劑進行解吸操作后，吸收率略有降低，但隨著解吸次數的增加其吸收效果較為穩定，且吸收率基本穩定在91.3%左右。

2.4 雙塔吸收中氣體流量對吸收效果的影響

進塔乙酸丁酯濃度在8 010 mg/m3，雙塔吸收劑流量均為3.7 L/h，吸收劑溫度為10 ℃，通過改變空氣和乙酸丁酯流量計來調節進塔氣體流量，研究氣體流量對雙塔吸收效果的影響，結果見圖5。

圖5 雙塔吸收中氣體流量對吸收效果的影響Fig.5 Effect of gas flow on absorption indouble tower absorption

由圖5可知，第1塔出塔乙酸丁酯濃度隨氣體流量的增大而增大，吸收率逐漸減小，第2塔出塔濃度基本穩定在67 mg/m3左右，而吸收率逐漸增大，與第1塔吸收率呈現相反趨勢。由于氣體流量的增加使氣體在吸收塔中停留時間減少，氣液兩相接觸不夠充分，導致吸收率降低。雖然第2塔的氣體流量也在增加，但由于其進塔濃度(第2塔進塔濃度與第1塔出塔濃度相等)增加，進而增大了第2塔吸收率。在進塔氣體流量為2.0 m3/h時，仍能保持較高的吸收率。因此，本研究選用氣體流量為2.0 m3/h。

2.5 雙塔吸收中進塔吸收劑流量對吸收效果的影響

進塔乙酸丁酯濃度8 010 mg/m3，廢氣流量2.0 m3/h，吸收劑溫度10 ℃，進塔吸收劑流量對雙塔吸收效果的影響見圖6。

圖6 雙塔吸收中吸收劑流量對吸收效果的影響Fig.6 Effect of absorber flow on absorption in doubletower absorption

由圖6可知，當吸收劑流量大于3.7 L/h時，最終出塔尾氣中乙酸丁酯濃度在80 mg/m3以下。第1塔吸收率隨吸收劑流量增大而增大，第2塔吸收率則不是太穩定。這是因為吸收劑流量較小時，填料表面沒有得到充分的潤濕，而吸收劑流量的增加相當于加大了填料的潤濕率，提高了傳質推動力，所以第1塔吸收率隨吸收劑流量增加而增加。雖然第2塔吸收劑流量不斷加大，但第1塔出塔濃度一直在減小，且減小幅度較大，從而導致了吸收率不穩定的現象出現。在吸收劑流量大于3.7 L/h時，吸收率增加不是太明顯，考慮到吸收劑成本問題，本研究選用的吸收劑流量為3.7 L/h，此時液氣比為0.124 (mol/mol)。

2.6 雙塔吸收中進塔濃度對吸收效果的影響

進塔吸收劑流量3.7 L/h，廢氣流量2.0 m3/h，吸收劑溫度10 ℃，進塔氣體濃度對雙塔吸收效果的影響見圖7。

圖7 雙塔吸收中進塔濃度對吸收效果的影響Fig.7 The effect of the concentration of the inlettower on the absorption of the two towers

由圖7可知，第2塔乙酸丁酯出塔濃度的變化較為穩定，都在80 mg/m3以下。在吸收劑流量和氣體體積流量一定的條件下，第1塔吸收率隨乙酸丁酯濃度的增加而增加。這是因為當吸收壓力和溫度不變的情況下，氣體在液相中的平衡質量濃度與氣相分壓成正比，所以質量濃度越高其吸收率越大；另一方面，進口濃度的增加會加大氣膜內乙酸丁酯的分壓，從而加大了傳質推動力，第1塔吸收率增加。由于第1塔出塔濃度總體呈現下降趨勢，且濃度較小，因而第2塔吸收率會出現下降的現象。

3 結論

(1)在廢氣流量2 m3/h，吸收劑流量3.7 L/h，進塔乙酸丁酯質量濃度5 550 mg/m3，吸收劑溫度10 ℃，填料層高度1 000 mm時，吸收率可達94.4%；吸收劑在沒有解吸條件下重復使用時，吸收率會快速降低；采用填料解吸塔，當填料層高度為1 000 mm，吸收劑流量15 L/h，水蒸氣流量1 m3/h時，對吸收劑進行解吸，解吸后的吸收劑對乙酸丁酯吸收率可達91.3%，且隨著解吸次數的增加吸收率始終穩定。

(2)在雙塔吸收中，當進塔氣體流量2 m3/h，吸收劑溫度10 ℃，吸收劑流量3.7 L/h，液氣比0.124(mol/mol)時，乙酸丁酯最終出塔濃度隨進塔濃度和氣體體積流量的變化較為穩定，均小于80 mg/m3，能夠達到天津市《工業企業揮發性有機物排放控制標準》(DB 12/524—2014)中的其他行業VOCs的排放標準；第2塔進塔濃度較低使其吸收率小于第1塔吸收率，雙塔的吸收率具有相反的變化趨勢。